PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO
SUL
FACULDADE DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
SEMINÁRIO TÉCNICO
MATERIAIS USADOS NA CONSTRUÇÃO DE MOTORES
ELÉTRICOS
JOÃO GABRIEL SOUZA MARTINS DE OLIVEIRA
2009
PORTO ALEGRE
JOÃO GABRIEL SOUZA MARTINS DE OLIVEIRA
MATERIAIS USADOS NA CONSTRUÇÃO DE MOTORES
ELÉTRICOS
Seminário Técnico apresentado como
requisito parcial à obtenção do grau G1 na
disciplina de Materiais Elétricos do curso
de
Engenharia
Elétrica
da
Pontifícia
Universidade Católica do Rio Grande do
Sul.
Professor:
Me. Eng. Odilon Francisco Pavon Duarte
Porto Alegre
2009
JOÃO GABRIEL SOUZA MARTINS DE OLIVEIRA
MATERIAIS USADOS NA CONSTRUÇÃO DE MOTORES
ELÉTRICOS
Grau:________
AVALIADOR
___________________________________________
Me. Eng. Prof. Odilon Francisco Pavon Duarte
A meu pai por todo amor, carinho, exemplo,
admiração, incentivo e incondicional apoio. Por
jamais desistir de me mostrar o fascínio que há na
Engenharia enquanto ciência, e o prazer que há
em
desbravá-la.
E
a
minha
esposa
meus
agradecimentos pelo amor e incrível dedicação,
por ter aceitado de bom grado privar-se de minha
companhia em prol dos estudos, concedendo-me
a oportunidade desta realização pessoal.
O primeiro passo em direção ao sucesso é
o conhecimento.
(TESLA, Nikola)
SUMÁRIO
INTRODUÇÃO.......................................................................................................8
1. O MOTOR ELÉTRICO....................................................................................10
1.1 O Motor Elétrico de Corrente Contínua .....................................................11
1.2 O Motor Elétrico De Corrente Alternada....................................................13
1.2.1 O motor trifásico assíncrono, ou motor de indução ..............................15
1.2.1.1 O motor de indução com rotor em gaiola de esquilo.....................15
1.2.2 O Motor Síncrono ................................................................................16
1.3 Outros Tipos De Motores ..........................................................................17
1.4 Um Olhar Mais A Fundo No Motor De Indução Com Rotor Em Gaiola De
Esquilo ........................................................................................................................18
1.4.1 O Estator .............................................................................................19
1.4.1.1 A carcaça: .....................................................................................19
1.4.1.2 Núcleo magnético: ........................................................................20
1.4.1.3 Enrolamento estatórico: ................................................................20
1.4.2 O rotor .................................................................................................21
1.4.2.1 Eixo: ..............................................................................................21
1.4.2.2.Núcleo Magnético: ........................................................................21
1.4.2.3 Barras Condutoras: .......................................................................21
1.4.2.3 Anéis de Curto-Circuito: ................................................................22
1.4.3 As demais partes .................................................................................22
1.4.3.1 Tampas: ........................................................................................22
1.4.3.2 Caixa de Ligação: .........................................................................22
1.4.3.3 Ventilador: .....................................................................................23
2. PERDAS NO MOTOR ELÉTRICO..................................................................25
2.1 As Perdas No Ferro...................................................................................26
2.1.1 Perdas por histerese............................................................................27
2.1.2 As perdas dinâmicas ...........................................................................27
2.1.3 Compondo as perdas Totais no Ferro:................................................28
2.1.4 Noções dos processos metalúrgicos do aço: tratamento térmico e
estampagem ...........................................................................................................29
2.1.4.1 Tratamento Térmico......................................................................30
2.1.4.2 Inconvenientes do Tratamento Térmico: .......................................32
2.1.4.3 Estampagem .................................................................................34
2.2 Perdas Nos Enrolamentos ........................................................................35
2.3 Perdas Dispersas ......................................................................................37
2.3.1 Antecedentes.......................................................................................37
2.3.2 Generalização......................................................................................38
2.3.3 Vazamentos da gaiola do rotor ............................................................39
2.3.4 A Dicotomia das perdas dispersas ......................................................40
2.3.5 Medição das perdas dispersas ............................................................40
3. OS MATERIAIS USADOS EM MOTORES ELÉTRICOS................................42
3.1 Materiais Magnéticos ................................................................................42
3.2 Materiais Elétricos .....................................................................................44
3.3 Materiais De Isolação................................................................................46
3.3.1 Altitude e temperatura .........................................................................47
3.3.2 As classes de isolamento ....................................................................48
3.3.3 A distribuição dos materiais de isolamento no motor...........................50
4.
MOTORES
ELÉTRICOS
ALIMENTADOS
POR
INVERSORES
DE
FREQÜÊNCIA................................................................................................................53
4.1 A Velocidade De Rotação De Um Motor De Indução ...................................53
4.2 A Manutenção Do Torque Constante ...........................................................54
4.3 O Inversor De Freqüência ............................................................................54
4.4 Modulação Por Largura De Pulso, Ou Pulse Width Modulation (PWM): ......55
4.5 Efeitos Da Alimentção PWM Sobre O Isolamento Do Motor De Indução.....56
4.5.1 Influência do rise time: .........................................................................56
4.5.2 Locais críticos: .....................................................................................56
4.5.3 Influência da Freqüência: ....................................................................57
4.6 As Alterações Necessárias Ao Sistema De Isolamento De Um Motor De
Indução Alimentado Por PWM....................................................................................58
4.7 O USO DE FILTROS.................................................................................58
5.
TENDÊNCIAS ..............................................................................................60
5.1 Motores De Indução ..................................................................................60
5.1.1 A alternância de orientação dos grãos em lâminas de aço-silício: ......60
5.1.2 Aumento da Concentração do Silício:..................................................60
5.1.3 SFC com metalurgia em pó: ................................................................61
5.2 Motores Síncronos De Imã Permanente ...................................................61
5.2.1 O uso de imãs permantes:...................................................................62
5.2.2 O uso de inversores de freqüência: .....................................................62
5.2.3 Benefícios: ...........................................................................................63
6. CONCLUSÕES...............................................................................................65
BIBLIOGRAFIA....................................................................................................67
ANEXOS...............................................................................................................69
8
INTRODUÇÃO
Motores elétricos são parte importantíssima do processo produtivo industrial, não
só no Brasil como no mundo. Base de um sem numero de equipamentos e facilidades
como gerador de força motriz, o parque de motores elétricos é responsável pelo
consumo de um terço de toda a energia ofertada no país (Garcia, 2003). E num cenário
onde a eficiência energética torna-se tão presente, uma vez que a energia elétrica é a
solução viável para a substituição de energias 'sujas' como as por queima de
combustível fóssil, reduzir o consumo de energia dos motores elétricos é fator crucial
para a economia e sustentabilidade da sociedade humana como um todo.
Passa a vigorar, portanto, no final deste ano, a lei nº10.295 de 17 de outubro de
2001 através do decreto 4.508 de 2002, que diz que, a partir de dezembro/2009, todos
os motores elétricos de indução trifásicos até 250cv fabricados para uso dentro do país
deverão ser de Alto Rendimento.
Mas como conseguir níveis de rendimento satisfatórios nos motores elétricos
sem agregar um custo elevado à unidade produzida? A resposta encontra-se nos
materiais e técnicas usadas para sua construção. Materiais de isolamento mais
robustos, elementos magnéticos mais eficientes e materiais elétricos de melhor
condutividade são estudados de modo a tornar os motores máquinas mais eficazes e
ao mesmo tempo economicamente viáveis.
É portanto o escopo deste trabalho apresentar os materiais elétricos usados na
construção de motores elétricos, com foco no motor elétrico de indução trifásico
assíncrono com rotor em gaiola de esquilo, bem como os processos e esforços aos
quais eles são submetidos durante o funcionamento do motor e as últimas tendências
nas pesquisas desses materiais.
Uma vez que o motor elétrico basicamente é um equipamento que se propõe a
transformar energia elétrica em energia mecânica, o trabalho visitará todas as perdas
que ocorrem no funcionamento do motor, analisando-as em seu comportamento, de
modo a entender o ocorre com a energia elétrica que é requerida até que ela seja
convertida em energia mecânica na ponta do eixo. Sendo o ideal a ausência total de
perdas, após o estudo das perdas serão propostos e analisados os materiais usados
9
nas partes chave do motor elétrico para reduzi-las ao mínimo, e assim obter uma
máquina eficiente, sempre tendo em foco a viabilidade econômica.
Concluiremos
trabalho
o
apresentando
estudos de caso gentilmente
cedidos
pela
WEG
Equipamentos Elétricos S/A,
a maior fabricante nacional
de
motores
pioneira
na
elétricos
e
pesquisa
de
tecnologia para fabricação
Figura 1 – Ilustração do peso dos motores por kW no
passar do tempo
dos
mesmos
mundial.
a
nível
10
1. O MOTOR ELÉTRICO
O motor elétrico é um dispositivo cuja finalidade é transformar a energia elétrica
a ele aplicada em energia mecânica através de interações eletromagnéticas entre as
partes que o constituem. A figura 1.2, cortesia da WEG, exemplifica o variado universo
dos motores elétricos:
Figura 1.2 – Diversos tipos de motores elétricos
Independente do modo de fabricação, o princípio básico de funcionamento dos
motores é o mesmo: alimenta-se a parte fixa do motor com energia elétrica, criando-se
ali um eletroimã cujo campo magnético vai variar. Esse campo criará uma força
11
magnética na parte móvel do motor que irá mover-se para tentar acompanhar a
variação do campo magnético.
1.1 O Motor Elétrico de Corrente Contínua
Assim
como
os
demais
motores elétricos, as duas partes
principais do motor de corrente
contínua são o rotor (parte móvel)
e o estator (parte fixa), além de
duas
peças
chave
que
proporcinam a operação correta
do motor: o comutador e o par de
escovas.
Seu
princípio
de
funcionamento é o mais básico
dentre os motores, ocorrendo da
Figura 1.3 – Esquema do Motor Elétrico de
Corrente Contínua
seguinte maneira:
Na
figura
1.3,
os
semicírculos formam o comutador, enquanto que as estruturas em formato de
paralelepípedo com a base circular são as escovas.
O estator possui um enrolamento entre seus polos que é contínuo, de modo que
quando ele é energizado, torna-se um eletroimã de polaridade fixa. O rotor também
alimentado por uma fonte secundária chamada de excitatriz através das escovas, e
quando energizado, torna-se também um eletroimã.
Entretanto, com a capacidade de girar, o rotor move-se, de modo que o seu polo
sul busque o polo norte do estator e vice-versa. Uma vez que essa situação de
equilíbrio é alcançada, o movimento cessaria, já que os polos opostos estariam em seu
ponto mais próximo na tranjetória circular. Porém, quando os polos estão exatamente
nessa posição, os semicírculos do comutador, que acompanharam o giro, trocam de
escovas e com isso a corrente tem seu sentido invertido, invertendo também a
polaridade do eletroimã do rotor e dando continuidade ao movimento giratório.
A figura 1.4 ilustra bem essa ciclo:
12
a) e b) Quando o estator é energizado, ele torna-se um eletroimã, com polos
fixos.
Uma
também
corrente
flui
enrolamento
do
pelo
rotor,
causando com que este
também
torne-se
um
eletroimã. Como o rotor é
móvel, quando os polos
opostos se atraem e o
rotor gira.
c)
Figura 1.4 – Orientação dos pólos do motor de corrente
contínua
Os
polos
opostos estão o mais
próximo possível de si
dentro da trajetória. Nesse instante, o sentido da corrente no rotor é invertido.
d) Com isso, a polaridade do rotor muda, e ele continua seu giro, impulsionado
no sentido anterior por sua inércia.
A comutação consiste na mudança de uma lâmina do comutador, onde as
bobinas são ligadas em série, para a próxima. Durante esta comutação a bobina é
momentaneamente curtocircuitada pelas escovas, o que ajuda a liberar energia a
armazenada, antes de a corrente fluir no sentido oposto. Porém, como essa inversão de
corrente não é instantânea, uma força eletromotriz é induzida na espira, o que origina
uma corrente de curto-circuito que circula no comutador, nas espiras e nas escovas.
Após o curto-circuito, a interrupção dessa corrente dá origem ao aparecimento de
faíscas nos contatos das escovas com o comutador, que podem gerar arcos elétricos
perigosos e que danificam o comutador, tendo portanto que ser eliminadas.
A velocidade de rotação do rotor é proporcional à corrente que flui por ele, e pela
lei de Ohm, variando a tensão aplicada a seus terminais, conseguimos controlar a
velocidade de rotação do motor. Essa é uma das principais vantagens do motor de
corrente contínua, que o manteve como primeira escolha em algumas aplicações
justamente pela necessidade da mudança de velocidade
13
Entretanto, o motor elétrico de corrente contínua nos traz uma série de
desvantagens, dentre as quais podemos destacar:
Os motores de corrente contínua são maiores e mais caros que os
motores de indução, para uma mesma potência;
Maior necessidade de manutenção (devido aos comutadores e
escovas)
Arcos e faíscas devido à comutação de corrente por elemento
mecânico (não pode ser aplicado em ambientes perigosos)
Tensão entre lâminas não pode exceder 20V, ou seja, não podem ser
alimentados com tensão superior a 900V, enquanto que motores de
corrente alternada podem ter milhares de volts aplicados aos seus
terminais.
Necessidade de medidas especiais de partida, mesmo em máquinas
pequenas.
Com o surgimento dos inversores de freqüência, os motores de
indução podem variar sua velocidade com a mesma precisão que um
motor de corrente contínua.
O conjunto motor de indução + inversor para potências pequenas e
médias ainda é mais barato que o motor de corrente contínua
Com o surgimento dos inversores de freqüência e o uso de imãs permanentes no
rotor, além do recente sistema brushless (sem escovas), os motores de corrente
contínua não têm mais o problema do faiscamento causado pelo sistema comutador,
mas justamente por isso são mais caros que seus similares com escovas, e por
conseguinte muito mais caros que os motores de corrente alternada, principalmente os
de indução.
1.2 O Motor Elétrico De Corrente Alternada
Os motores de corrente alternada baseiam seu funcionamento no princípio do
campo girante. Para conseguir esse campo (que é explicado em maiores detalhes a
seguir), necessário que haja vários enrolamentos, notadamente um por fase, ao redor
de núcleos magnéticos no estator que formaram os pares de polos de um eletroimã.
14
Figura 1.5 – Esquema dos enrolamentos de um motor de corrente alternada
Na figura 1.5a é indicado um enrolamento trifásico, que é composto por três
enrolamentos monofásicos espaçados entre si de 120º. Se este enrolamento for
alimentado por um sistema trifásico, as correntes I1, I2 e I3 criarão do mesmo modo seus
próprios campos magnéticos H1, H2 e H3. Além disso, como são proporcionais às
respectivas correntes serão defasados no tempo também de 120º entre si e podem ser
representados por um gráfico igual ao da figura 1.6. O campo total H resultante será
igual à soma gráfica dos três campos H1, H2 e H3 naquele instante. Em seguida, ainda
na
figura
1.6
representamos
essa soma gráfica para seis
instante sucessivos.
Assim,
enrolamento
alimentado
trifásicas,
quando
um
trifásico
é
por
cria-se
correntes
um
campo
girante, como se houvesse um
Figura 1.6 – Formação vetorial do campor girante
único par de polos girantes, de
intensidade constante. Como o
campo girante gira de acordo com os máximo e mínimos de corrente que atravessa
cada enrolamento, temos que quanto mais rápido a corrente alternar, mais rápido o
15
motor irá girar. Iremos usar isso mais à frente para determinar a velocidade de rotação
do motor de corrente alternada e como variá-la.
Há dois tipos de motores de corrente alternada: os síncronos e os assíncronos, e
a maior diferença entre os dois está no rotor. Diferenciando o rotor, teremos um tipo de
motor ou outro.
1.2.1 O motor trifásico assíncrono, ou motor de indução
O motor elétrico de indução trifásico, como os motores em geral, é composto
fundamentalmente de duas partes: uma fixa, o estator, e uma móvel, o rotor.
Diferentemente dos demais tipos de motores, entretanto, a única parte do motor de
indução que recebe alimentação de energia elétrica é o estator, enquanto o rotor não
tem alimentação elétrica alguma. Outra diferença no rotor do motor de indução, é que
ele normalmente não tem espiras. Embora alguns motores de indução, para aplicações
mais específicas, tenham os rotores bobinados, a maioria dos motores de indução tem
um tipo de rotor conhecido como rotor em gaiola de esquilo.
1.2.1.1 O motor de indução com rotor em gaiola de esquilo
Este é o motor mais largamente utilizado na indústria, devido à construção
relativamente simples, pouca necessidade de manutenção, e custo reduzido quando
comparado aos diversos tipos de motor. Sua principal característica, aquilo que lhe dá o
nome, é o rotor construído de modo peculiar se comparado aos demais rotores:
Figura 1.6 – Rotor em gaiola de esquilo explodido
16
Conforme podemos ver na figura 1.6, não há bobinas no rotor. O que temos são
barras de material condutor unidas por anéis também condutores, que são colocadas
dentro do núcleo magnético através de um processo chamado de injeção, que
abordaremos mais adiante. O nome "gaiola de esquilo" ou "rotor engaiolado" vem
justamente em referência às barras e anéis, que formam uma gaiola similar às gaiolas
feitas para esquilos, usadas nos Estados Unidos.
Quando o estator é então energizado e as linhas do campo magnético girante
cortam o rotor, uma diferença de potencial é induzida nas barras e logo uma corrente
elétrica começa a fluir por elas. Como são feitas de bom material condutor e estão em
curto-circuito, a corrente no rotor cresce de modo a tornar o rotor também um eletroimã
que vai tentar acompanhar a "movimentação" do campo girante.
Como sempre há uma carga (ainda que o peso do próprio rotor) mecânica, os
polos do rotor nunca se alinham aos do estator, fazendo com que a velocidade de giro
do motor nunca seja exatamante aquela do campo girante, fenômeno que é
denominado de escorregamento. Se por acaso os polos do rotor se alinhassem aos do
estator, as linhas de campo do estator não mais cortariam o rotor, e o movimento
cessaria. Devido ao escorregamento, o motor de indução também é chamado de motor
assíncrono.
O escorregamento, ou seja, a diferença de velocidade de giro entre a rotação do
rotor e a do campo girante é tão maior quanto mais resistente for a carga mecânica
sendo acionada. Enquanto isto não é um empecilho para a grande maioria das
aplicações, há necessidades que exigem que a rotação permaneça constante
independente da carga no eixo. Para estas aplicações, usamos o motor síncrono.
1.2.2 O Motor Síncrono
Conforme mencionado anteriormente, o motor síncrono precisa ter sua
velocidade de rotação constante e idêntica à velocidade do campo girante, que
chamaremos daqui pra frente de velocidade síncrona. O único jeito de fazer isso
acontecer, é garantir que o rotor seja um eletroimã de polaridade fixa, com campo
constante, de modo que ele não acompanhe as variações do campo do estator. Para
isso, usaremos um rotor semelhante ao rotor do motor de corrente contínua.
17
Conforme vemos na figura1.7,
o rotor é bobinado, ao invés de
engaiolado, e este formato previne
que haja as correntes induzidas que
vimos no motor assíncrono. O rotor é
feito desta maneira de modo que
possamos
injetar
nele
corrente
contínua, e magnetizá-lo de forma a
criar um eletroimãe de polos fixos.
O próximo passo é fazê-lo
girar, o que por si só não acontece
Figura 1.7 – Rotor de um motor síncrono
devido à rápida velocidade de rotação
de campo girante. Logo, é necessário
acelerar o rotor até cerca de 95% da velocidade síncrona e, somente aí, aplicar a
corrente contínua que fará com que ele gire a velocidade síncrona, somente com um
pequeno ângulo constante de diferença, o chamado ângulo de torque.
Se por ventura for aplicada uma carga maior do que o motor síncrono é capaz de
acionar e o ângulo de torque crescer demais, o motor pára e é necessário parti-lo
novamente.
Devido a essa necessidade de manter exatamente a mesma velocidade do
campo girante, uma limitação do uso dos motores síncronos era a impossibilidade de
variar a sua velocidade de rotação. Com o surgimento dos inversores de freqüência,
entretanto, essa impossibilidade passou a ser contornada, aumentando o interesse no
uso
de
motores
síncronos
para
baixas
potências,
mesmo
com
o
preço
consideravelmente mais alto quando comparado a motor assíncronos de potência
equivalente.
1.3 Outros Tipos De Motores
Dentro do vasto universo dos motores elétricos, temos ainda outros tipos
comuns, de aplicações mais leves e menos comuns, mas que ainda assim encontram
expressiva utilização em sistemas de controle e posicionamento, de funcionamento
18
similar aos três aparesentados acima, mas cada um dotado de sua própria
particularidade. São eles:
Motor de Passo: O estator tem polos que são energizado um de cada vez,
e o rotor é feito em forma de roda dentada. A cada energização de um
polo do estator, o dento adjacente é atraído, e com isso, tem-se o controle
preciso da rotação do motor.
Servomotor: Mais preciso que o motor de passo, é normalmente um motor
CC dotado de um controlador eletrônico que controlará o giro de seu eixo
com extrema precisão, corrigindo erros e eventuais desvios que
acontecerem. É bastante aplicado em sistemas de controle e fabricação
fina.
Motor Universal: Construído de modo a operar tanto com alimentação CC
quando AC, o motor universal é usado em potências baixas, e sua maior
aplicação deu-se nos primeiros trens elétricos, que precisavam se
deslocar a grandes distâncias e em linhas que nem sempre possuiam o
mesmo sistema de alimentação. Logo, esses motores podiam ser
alimentados por pantógrafos (sistema de captação de linhas aéreas com
corrente usualmente alternada) ou terceiro trilho (trilho adjacente aos de
deslocamento dos trens com alimentação usualmente CC).
Motor Linear: Ao invés de produzir um torque e causar rotação, este motor
AC é feito de modo que a força magnética seja linear. Vem encontrando
usos cada vez mais freqüentes nos trens maglev, que flutuam sobre um
campo magnético e viajam a altíssimas velocidades.
1.4 Um Olhar Mais A Fundo No Motor De Indução Com Rotor Em
Gaiola De Esquilo
De todos os tipos de motores elétricos existentes, no âmbito industrial e mesmo
no doméstico, o largamente mais utilizado é o motor elétrico de indução (ou assíncrono)
com rotor engaiolado, presente na grande maioria das aplicações em suas versões
trifásica e monofásica. Daqui pra frente, quando nos referimos a "motor elétrico",
estaremos nos referindo a este motor. Além disso, apesar das diferentes formas de
fabricação e alimentação, todos os motores funcionam baseados nos princípios do
19
eletromagnetismo, logo, um núcleo magnético de perdas baixas para o motor de
indução apresentará perdas baixas também para um motor síncrono, e assim
sucessivamente.
De posse disso, vejamos as partes que constituem no todo o motor elétrico de
indução trifásico.
1.4.1 O Estator
O estator, a parte fixa do motor, é compreendido por três elementos principais: a
carcaça, que contém aletas para resfriação nos modelos blindados, e além da
sustentação, protege o motor de agressões mecânicas, químicas e climáticas, o núcleo
magnético que formará os polos do motor e o enrolamento, por onde fluirá a corrente
elétrica que magnetizará o motor.
1.4.1.1 A carcaça:
Conforme
anteriormente,
mencionado
ela
é
confeccionada de um material
robusto para dar sustentação e
proteção ao motor. Os materiais
que a constituem são variados, e
baseiam-se
Figura 1.8 – Visão de um estator explodido
principalmente
na
aplicação e exposição do motor.
Para motores de uso doméstico
ou cujo equipamento a que serão acoplados provém proteção o suficiente, a carcaça
não passa de um sustentáculo para as chapas do estator. Em aplicações onde o motor
ficará exposto a atmosferas agressivas ou mesmo explosivas, a proteção mecânica não
é o suficiente, e vedações e pintura diferenciada são usadas de modo a tornar a
carcaça resistente às agressões que encontrará.
Os materiais mais comuns para a carcaça nos motores industriais é o ferro
fundido (Fe + [2.11% - 6,77%]C) branco, que é resistente, facilmente usinável e barato.
Como encontra-se numa parte fixa do motor, seu peso é de menor importância. Outro
20
fator importante do ferro fundido é sua boa condutibilidade térmica, essencial para
motores blindados. Nesse tipo de motores, encontramos aletas distribuídas ao redor de
sua superfície externa, feitas ali para aumentar a superfície de contato com o ar e assim
elevar a dissipação térmica do motor.
1.4.1.2 Núcleo magnético:
O núcleo magnético é responsável por aumentar o fluxo magnético do campo
causado pelas bobinas e com isso formar eletroimãs em seus polos. Em motores de
corrrente contínua, esses polos são fixos, enquanto que em motores de corrente
alternada o campo gerado é o campo girante. O estator é feito com várias lâminas finas
de material magnético, prensadas para formar o conjunto do estator. O estudo dos
materiais usados aqui será visto em detalhes no capítulo 3, e por isso não será exposto
agora. O espaço reservado para as bobinas chama-se ranhura, e as estruturas que
formarão os polos propriamente ditos são os dentes.
1.4.1.3 Enrolamento estatórico:
Bobinas de cobre são enroladas ao redor dos dentes do estator, e esses
enrolamentos podem ser trifásicos ou monofásicos
nos motores de indução. As bobinas são isoladas
entre si através de um recobrimento com verniz,
isoladas da ranhura, amarradas com um barbante
também isolante, e recobertas com uma camada
de verniz adicional. Elas são dispostas de modo
que o ligamento das três fases possa ser feito em
estrela, triângulo ou demais tensões.
Na carcaça. temos também os olhais de
Figura 1.9 – O estator
erguimento do motor para transporte, e a estrutura
que recebe a caixa de ligação, além dos pés, que podem ser opcionais de acordo com
a forma construtiva do motor.
21
1.4.2 O rotor
Conforme vimos anteriormente, no motor elétrico de indução, o rotor não possui
bobinas, ao invés disso é dotado de uma estrutura semelhante a uma gaiola. No rotor
do motor assíncrono temos:
1.4.2.1 Eixo:
O eixo é normalmente feito de aço-carbono tratado termicamente para ser
resistente e suportar os esforços mecânicos da carga a ser acionada. É também sobre
a sua estrutura que é montado todo o resto do rotor e do sistema de ventilação do
motor. Sua ponta é confeccionada de diversas formas dependendo da aplicação, mas
usualmente possui uma chaveta.
1.4.2.2.Núcleo Magnético:
Assim como acontece no estator, o núcleo magnético do rotor é feito de material
magnético cortado em lâminas finas e prensadas em conjunto de modo a formar o
volume desejado. O estudo de seus materiais será visto mais a fundo no capítulo 3.
1.4.2.3 Barras Condutoras:
Agindo como as espiras agem nos demais tipos de rotores, elas são feitas
através de um processo denominado injeção. Nesse processo, o material é fundido e
derramado dentro do núcleo magnético já montado, fator que é crucial para a escolha
de seu material, que veremos mais à frente. Como são percorridas por altas correntes,
possuem seção reta larga. Do mesmo modo que os circuitos relevantes do motor, o
estudo dos materiais das barras será feito no capítulo 3
Figura 1.10 – Estator e rotor
22
.1.4.2.4 Anéis de Curto-Circuito:
Os anéis de curto circuito unem as barras condutoras e são feitos do mesmo
material delas.
1.4.3 As demais partes
Além de rotor e estator, o motor constituite-se de outras partes essenciais ao seu
funcionamento:
1.4.3.1 Tampas:
Elas protegem o motor do meio externo, e por vezes servem para acoplamento.
A dianteira pode ser flangeada de acordo com normas pré-determinadas, e nesse caso
pode até mesmo sustentar o peso do
motor.
A
traseira,
em
motores
abertos, é vazada para permitir a
entrada de ar, enquanto em motores
blindados é completamente fechada,
permitindo apenas a passagem do
Figura 1.11 – Uma tampa dianteira (esq) e
uma tampa defletora (dir.)
eixo que irá girar o ventilador. Nesses
casos, há também a tampa defletora,
que permite a passagem do ar para o ventilador e guia-o de modo a fluir melhor por
sobre as aletas da carcaça.
Nas duas tampas, dianteira e traseira, há o suporte para os rolamentos que irão
sustentar o eixo do rotor. As tampas dianteira e traseira são normalmente feitas do
mesmo material da carcaça, enquanto a defletora é normalmente de alumínio, a não ser
que o motor seja aplicado em ambientes de alta agressão mecânica (por exemplo,
mineração). Neste caso, é comum a tampla defletora também ser de ferro fundido.
1.4.3.2 Caixa de Ligação:
A caixa de ligação é o local por onde o motor é alimentado, e por isso precisa ser
bem protegida de agentes externos principalmente por questões de segurança e
23
umidade. A entrada para os cabos é vedada, e a caixa é feita do mesmo material da
carcaça para evitar que agressões mecânicas venham por ventura a desconectar
alguma das fases da alimentação do motor.
Figura 1.12 – Caixa de ligação
1.4.3.3 Ventilador:
O ventilador é o mecanismo responsável por
ventilar o motor. Todo o motor é dimensionado de
modo que a sua velocidade nominal de rotação gire
o ventilador rápido o suficiente para que o fluxo de ar
através das aletas de sua carcaça (modelos
blindados) ou através de seu interior (modelos
abertos) seja o necessário para resfriá-lo dentro das
condições nominais de operação do motor. O
ventilador nos modelos blindados é protegido pela
tampa defletora, e precisa dela para seu correto
Figura 1.13 – O ventilador
posicionado sobre a tampa traseira
funcionamento. O material usual para a confecção do ventilador é o plástico, mas em
aplicações de grandes agressões químicas e/ou mecânicas, ele é feito de alumínio. A
figura 1.14 ilustra bem como se dá a ventilação em motores blindados:
24
Figura 1.14 – A ventilação do motor blindado
Em motores cuja velocidade de rotação apresente-se inferior à nominal, pode se
fazer necessário o uso de kits de ventilação forçada, que manterá o ventilador girando
rápido ainda que o eixo do motor não esteja. Nesses casos, o ventilador é
independente do eixo do motor.
Figura 1.15 – As partes principais do motor elétrico de indução
25
2. PERDAS NO MOTOR ELÉTRICO
As perdas dentro de um motor elétrico de indução, e portanto seus principais
mecanismos geradores de calor, podem ser divididos em cinco grupos principais,
relacionados principalmente ao local onde eles ocorrem. Essas são as perdas Joule, as
perdas por histerese, perdas por corrente de Foucault, as perdas dispersas e perdas
mecânicas. Cada uma delas é sintetizada abaixo:
Perdas joule: As perdas Joule correspondem à conversão de energia
elétrica em térmica num meio eletricamente condutor. Esse tipo de perda
está diretamente relacionado à resistência elétrica do condutor e muda
proporcionalmente ao quadrado da corrente, ou seja, Pj=R.I2. Geração de
calor (logo, perdas) por efeito Joule em motores elétricos de indução com
rotor em gaiola de esquilo ocorre no estator (bobinas de cobre) e na gaiola
do rotor (barras de alumínio).
Perdas no ferro: Essas perdas ocorrem
devido à conversão de energia elétrica em
energia térmica no núcleo magnético dos
motores, tanto no estator, quanto no rotor.
Elas são divididas em perdas por histerese e
por
corrente
de
Foucault
(correntes
parasitas). As perdas por correntes parasitas
são na verdade perdas Joule causadas por
correntes induzidas no núcleo magnético. Já
Figura 2.1 – Lócus BH
(curva de histerese)
as perdas por histerese acontecem devido à energia gasta para alinhar os
dipolos magnéticos do ferro com o campo magnético, e a sua magnitude
corresponde à área do ciclo de histerese conforme a figura 2.1:
Perdas dispersas: Estas são perdas menores na operação do motor
elétrico, e sua quantificação é muito difícil. Elas incluem as perdas devido
ao efeito skin, altas freqüências, entre outras, que são desconhecidas ou
não facilmente quantificadas. Representam cerca de 10% de todas as
perdas.
26
Perdas mecânicas: Essas perdas compreendem a conversão de energia
mecânica em energia térmica devido ao atrito e perdas por viscosidades.
Aqui estão inclusas principalmente as perdas nos rolamentos e no
ventilador. As perdas no ventilador acontecem devido devido à energia
requerida para soprar o ar sobre a superfície do motor. Como a energia
mecânica gerada no motor é obtida através da conversão de energia
elétrica, as perdas mecânicas são contabilizadas nas perdas elétricas.
Contribuição de cada grupo: A figura 2.2 mostra a contribuição das perdas
de acordo com a sua localização (Cesário et Al., 2005), em escala relativa.
Figura 2.2 – Distribuição das perdas no motor elétrico de indução
2.1 As Perdas No Ferro
O campo magnético variável no tempo ao atravessar um meio magnético possui
perdas associadas à histerese e às correntes induzidas (se o material for condutor). As
máquinas elétricas compostas por núcleos magnéticos, como é o caso dos motores
elétricos, possuem perdas energéticas que diminuem seu rendimento durante a
magnetização do núcleo.
Um dos modelos das perdas magnéticas no material magnético é sua separação
em três componentes, perdas por histerese, perdas por correntes induzidas ou
correntes de Foucault, e perdas dispersas. A fim de atenuar as correntes induzidas no
27
núcleo, o aço para fins elétricos é utilizado de forma laminada quando usado em
estruturas submetidas a campos regularmente variáveis no tempo.
2.1.1 Perdas por histerese
A perda por histerese está relacionada com a energia necessária para deslocar
as paredes dos domínios magnéticos. Em freqüências em que o efeito pelicular de
distribuição da indução em lâminas é desprezível (para lâminas de 0,5mm de espessura
e até aproximadamente 400 Hz) ou seja, quando o fluxo magnético no interior do
material é homogêneo, as perdas por histerese não dependem da freqüência de
excitação. Podem ser medidas em uma freqüência próxima a zero, em um regime
quase estático, em torno de 1Hz ou menos. Esta técnica parece ser a mais indicada, já
que se está medindo o valor das perdas em uma freqüência tão baixa que as
componentes dinâmicas podem ser desprezadas. A grande dificuldade deste método é
o controle da forma senoidal nesta baixa
freqüência, exigindo equipamentos especiais.
Geralmente, o gráfico BH (ou lócus
B(H)) de um material é denominado gráfico de
histerese do material. A Fig. 2.3 apresenta
duas formas de onda no lócus B(H) em duas
freqüências distintas. Pode-se chamar gráfico
de histerese a forma obtida à freqüência de
1Hz para o aço ao silício, pois corresponde
aproximadamente à perda por histerese, não
apresentando os efeitos significativos das
perdas dinâmicas. Já a curva BH à 50 Hz
representa, além das perdas por histerese, as
perdas dinâmicas também.
Figura 2.3 – Curvas de Perda por
Histerese
2.1.2 As perdas dinâmicas
Além das perdas por histerese, o material apresenta perdas que variam com a
freqüência da forma de onda do fluxo, incluindo o efeito das harmônicas. Estas perdas,
28
denominadas perdas por correntes de Foucault, são geradas através das correntes
induzidas no núcleo ferromagnético quando este é percorrido por um fluxo variável no
tempo. A variação do fluxo produz um campo elétrico ao longo de um caminho fechado
e, como este “caminho” possui uma condutividade elétrica associada, formam-se anéis
de corrente.
Ao analisar uma lâmina de aço, sendo seu fluxo paralelo à sua direção, haverá a
formação de anéis de corrente num plano perpendicular ao do fluxo. Ao tornar a lâmina
mais fina, achatam-se estes anéis de correntes induzidas, dificultando sua formação.
Também é possível a inserção de silício (também alumínio ou outras substâncias) ao
aço para a diminuição da condutividade da lâmina e, conseqüentemente, diminuir a
densidade de corrente.
Figura 2.4 – As correntes de Foucault numa lâmina de material magnético
2.1.3 Compondo as perdas Totais no Ferro:
Para medir cada uma das três componentes de perdas magnéticas, devem-se
realizar ensaios específicos que possibilitem separar numericamente cada uma das
parcelas. A única parcela das três que pode ser medida diretamente é a perda por
histerese, considerando que em uma freqüência relativamente baixa as perdas
dinâmicas possam ser desprezadas.
Para contornar a dificuldade prática de medir perdas em uma freqüência muito
baixa, onde são necessários equipamentos especiais, é possível realizar a separação
das componentes de perdas realizando um ensaio em freqüências diferentes (a norma
NBR5161 indica as freqüências de 50Hz e 60Hz). Extrapolando esta curva para um
valor de f = 0, o valor extrapolado corresponderá à perda por histerese.
29
Os modelos de perdas no ferro apresentados podem ser reunidos em uma única
equação simplificada. Esta equação pressupõe que os três tipos de perdas não
interagem entre si, sendo um sistema linear e que se pode aplicar o princípio da
superposição dos efeitos. A equação (2.1) representa matematicamente as perdas
magnéticas totais para qualquer amplitude de indução B e qualquer freqüência f. O
valor de ft representa a freqüência em que foi realizado a medida da perda total, ou seja,
para qual valor de f as constantes kf e ke foram calculadas.
Wt = k h ⋅ B α +
f
⋅ k f ⋅ B2 +
ft
f
⋅ k e ⋅ B 1.5
ft
[J/kg] (2.1)
A figura 2.5 mostra como se comportam as perdas no ferro de um motor elétrico
de acordo com a freqüência. Observe que conforme foi dito anteriormente, a perda por
histerese
independe
da
enquanto
as
freqüência,
perdas dinâmicas crescem de
uma maneira que pode ser
tida
como
linear
valores
de
encontrados
fornecimentos
para
os
freqüência
nos
de
concessionárias. E do mesmo
modo, mostram-se como um
sistema
linear,
Figura 2.5 – A composição das perdas no ferro
conforme
indicou a equação (2.1). Observe que os valores medidos foram muito próximos dos
valores calculados.
2.1.4 Noções dos processos metalúrgicos do aço: tratamento
térmico e estampagem
O princípio de funcionamento dos motores elétricos de corrente alternada baseiase no fluxo magnético variável no tempo e espaço (senoidal), de forma a produzir uma
força no entreferro, fazendo o rotor girar com torque definido. Como visto no capítulo
30
anterior, a passagem deste fluxo magnético em um meio condutor (as lâminas de aço)
produz correntes induzidas indesejáveis, as quais provocam perdas energéticas no
equipamento.
Através da análise das equações das perdas, verifica-se que existem várias
formas de reduzir as perdas magnéticas dos equipamentos. Podem-se diminuir tanto as
perdas por histerese como as perdas dinâmicas. A minimização da perda por histerese
comporta a ciência dos materiais e a metalurgia, e não será explorada aqui por
enquadrar-se no escopo do trabalho do grupo de Materiais Magnéticos. Porém existem
processos na produção das maquinas elétricas que influenciam estas perdas, como a
estampagem das lâminas, o tratamento térmico, a pressão exercida nas lâminas, entre
outros.
Quanto às perdas dinâmicas, pode-se reduzi-las diminuindo a espessura da
lâmina, ou aumentando sua resistência elétrica através da incorporação de silício ao
aço. Uma vez otimizados todos estes fatores, resta apenas melhorar os detalhes
construtivos das máquinas elétricas. Outros fatores também podem influenciar as
perdas dinâmicas, tais como as rebarbas devidas à estampagem das chapas, o
revestimento das lâminas e os parafusos de fixação.
Assim, vários fatores influenciam o desempenho magnético e energético do
motor, alguns somente na parcela por histerese, outros na parcela dinâmica, ou em
ambos. Alguns detalhes construtivos serão estudados ao longo deste trabalho, isolando
o efeito provocado por cada um deles nas propriedades magnéticas das lâminas.
2.1.4.1 Tratamento Térmico
O processo de fabricação do aço é composto por várias etapas, podendo ser
uma delas o tratamento térmico. O aço que recebe este tratamento térmico em sua
última etapa de produção é conhecido como aço totalmente processado, enquanto que
o aço que não recebe este tratamento é denominado como aço semi-processado. No
caso especifico de aços utilizados para fins elétricos, que é o caso deste trabalho, este
tratamento térmico chama-se recozimento final. O recozimento dos aços semiprocessados é fundamental para a melhoria das propriedades magnéticas entre outras,
sendo então realizado pelo fabricante das máquinas elétricas. O recozimento reduz as
31
perdas magnéticas pela metade e aumenta a permeabilidade de 100 a 300%, pois
durante este processo ocorre:
redução do teor de carbono, devido a atmosfera oxidante;
alivio das tensões (introduzidas pelo corte);
recristalização;
crescimento de grão;
formação da camada superficial dielétrica
Os aços totalmente processados já receberam o tratamento térmico na fábrica, e
o recozimento pelo consumidor final é opcional. Como as propriedades magnéticas do
aço são afetadas por tensões mecânicas introduzidas durante a operação de corte e
puncionamento, recomenda-se um tratamento térmico para o alivio de tensões. O
recozimento dos aços é realizado após o processo de estampagem, justamente para
aliviar as tensões introduzidas pelo processo de corte.
Foi realizado um experimento em lâminas de aço-silício semi-processadas, do
tipo 1006, com e sem o
tratamento
térmico,
onde
foram medidas as perdas
magnéticas,
separando-as
em perdas por histerese e
perda dinâmica. Como o
tratamento térmico apenas
modifica a estrutura dos
grãos magnéticos, somente
a perda por histerese é
modificada
de
modo
Figura 2.6 – Efeito do tratamento térmico nas perdas no
ferro
significativo. A parcela das perdas dinâmicas permanece inalterada. Através da figura
2.6 percebe-se que a perda por histerese (Ph) sofre uma grande diminuição com o
tratamento térmico, enquanto que a perda dinâmica (Pw) não sofre alterações
significativas. Observa-se que o tratamento térmico reduziu as perdas por histerese em
média de 77%.
32
Na Figura 2.7 pode-se ver o laço BH de ambas as lâminas a 50 Hz. O tratamento
térmico reduziu a área do laço
(conseqüência da diminuição
das
perdas),
diminuindo
também o valor do campo
Hmáx
necessário
para
o
material chegar na indução de
1,5T. O laço BH da lâmina não
tratada apresenta uma perda
Figura 2.7 – Lócus BH comparativo de laminas tratadas
e não tratadas.
magnética muito maior que a
lâmina tratada, na ordem de
109%.
2.1.4.2 Inconvenientes do Tratamento Térmico:
Há duas maneiras de se realizar o tratamento térmico nas chapas de um motor.
A primeira alternativa é realizá-lo nas lâminas antes de elas serem prensadas para
formar o corpo do núcleo magnético. A outra consiste de primeiro prensar-se as chapas
para formar o núcleo magnético e em seguida aplicar o tratamento térmico já no corpo
prensado.
No caso da segunda alternativa, pode ocorrer o que chamamos do fenômeno
'stick together', em que, devido à alta temperatura a que o material é submetido,
microsoldas ocorrem em variados pontos entre as lâminas, criando caminhos para as
correntes parasitas de Foucault, justamente aquelas que fez com que afinássemos as
lâminas para que fossem reduzidas.
Para exemplificar o efeito dessas microsoldas causadas pelo stick together, foi
feito um experimento que mediu as perdas e permeabilidade magnética em núcleos
magnéticos cujas lâminas foram revestidas com isolamento, de modo a impedir o stick
together delas durante o tratamento térmico, e em lâminas que não foram revestidas. A
figura 2.8 mostra o resultado do experimento:
33
Figura 2.8 – Efeitos do isolamento interlaminar durante o tratamento térmico
Percebe-se que quanto mais lâminas juntas, que possuem micro-soldas entre si,
maior é o valor das perdas no pacote e menor a permeabilidade do conjunto. Fica
evidente nesta figura que a presença do revestimento na lâmina inibe a formação de
micro-soldas que proporcionam caminhos alternativos para as correntes induzidas.
Outra comparação realizada foi com a adição de 3 pontos de solda na aresta da
circunferência externa do estator. Esta estratégia fornece parte de um caminho sólido
para as correntes induzidas, sendo a outra parte do caminho fornecido pelas microsoldas entre as lâminas. Desta forma, pelos testes realizados, há uma interação entre
os efeitos das micro-soldas, dos caminhos provenientes dos pontos de solda e das
lâminas serem ou não revestidas.
Note na figura 2.9 que o revestimento não foi suficiente para manter as perdas
constantes (no caso anterior, o revestimento foi suficiente para inibir a formação de
caminhos de correntes induzidas, mantendo a perda praticamente constante mesmo
com a presença das micro-soldas). Desta maneira, as soldas externas ao pacote
proporcionaram um caminho para a formação de correntes induzidas. Este ensaio
aponta que revestimentos pobres e com pontos de contato sólidos para fixar as lâminas
no pacote possibilitam que as perdas em tal núcleo sejam relativamente elevadas.
Mesmo se houver um bom revestimento, os contatos sólidos diminuem a ação do
revestimento preexistente no material.
34
Figura 2.9 – Efeitos da aglutinação do pacote do estator
2.1.4.3 Estampagem
A estampagem consiste no corte das chapas de aço-silício nas lâminas finas que
serão usadas para compor o núcleo magnético, tanto do estator quanto do rotor, de um
motor elétrico. O molde do corte normalmente já é preparado de acordo com o perfil do
circuito magnético do motor, pronto para ser agrupado e prensado para formar a parte a
qual se destina.
O processo de estampagem do material deteriora a estrutura cristalina dos
domínios magnéticos. Como os grãos (ou domínios magnéticos) têm uma distribuição
homogênea ao longo do material, a perda por histerese (movimentação das paredes
dos domínios magnéticos) é homogênea no material. Com a estampagem, essa
distribuição deixa de ser homogênea na região próxima ao corte, acarretando aumento
da perda por histerese. A figura 2.10 mostra a nível microscópico como a estrutura do
aço-silício é alterada pelo processo de estampagem na região próxima ao corte:
35
Figura 2.10 – Foto microscópica da região de corte de uma lâmina de aço-silício
Estudos de resultados práticos revelam que o processo de estampagem produz
uma deterioração na estrutura magnética com um conseqüente aumento da perda por
histerese.
Neste
processo
a
resistividade
do
material
não
é
afetada
e,
conseqüentemente, a variação das perdas dinâmicas é pequena. Talvez nas perdas
dinâmicas exista uma variação da parcela das perdas excedentes, já que estas são
funções
da
microestrutura
do
material.
Todavia, medições em motores de indução com gaiola de esquilo mostraram que
a presença de rebarbas não altera significativamente o desempenho magnéticos dos
mesmos, uma vez que a zonas de stress criadas pelas rebarbas são muito pequenas,
não se justificando, portanto, o acréscimo ao custo de produção que incorreria a
fabricação com rebarbas menores.
2.2 Perdas No Cobre
Como
mencionado
anteriormente,
por
tratar-se
de
um
circuito
predominantemente elétrico (ainda que responsável pela magnetização da máquina),
as perdas no enrolamento de um motor elétrico são aquelas causadas pela
transformação de energia elétrica em calor através do efeito Joule, as Perdas Joule.
Todavia, diferente do que ocorre no núcleo magnético, a corrente que causa as
perdas joule no enrolamento trata-se justamente na corrente nominal do motor, e está
relacionada com o condutor pela qual ela flui. Além disso, o caminho por ela percorrido
é conhecido e pré-estabelecido, facilitando os cálculos das perdas.
36
O enrolamento de armadura das máquinas de indução trifásicas possui três
circuitos elétricos formando espiras depositadas nas ranhuras das chapas de aço-silício
do estator. Iremos assumir, para fins de análise, que estes três circuitos estão ligados
em Y. Tal hipótese não prejudica a generalidade pretendida e facilita a análise do
circuito equivalente da máquina.
Assim, analisando o enrolamento de uma fase do estator, pode-se dizer:
Ele é dotado de um único condutor (na prática, os fabricantes usam vários
condutores em paralelo, mas para efeito de cálculo, um único condutor
chega aos mesmos resultados);
Cada fase é formada por enrolamentos de um condutor de cobre com um
comprimento Lf
Cada fase possui uma impedância resistiva que vale: R = ρ.Lf/S, onde S é
a área da seção transversal do condutor.
Sendo Pest a perda total no enrolamento das três fase e Pf a perda no
enrolamento de cada fase, temos que:
Pest = 3Pf (2.2)
Mas:
Pf = R.I2 (2.3)
onde I é a corrente na fase.
Assim sendo, as perdas no enrolamento do estator podem ser expressas
conforme abaixo:
Pest = 3.ρCu.Lf/S . I2 (2.4)
Logo, tal como em qualquer circuito elétrico, quanto maior a corrente que circular
nas fases do enrolamento do estator, maiores serão as perdas ali.
O mesmo raciocínio é aplicado para o cálculo das perdas joule nas barras do
rotor. Para isso, iremos considerar a reflexão do circuito do rotor no circuito do estator –
processo que não é objetivo deste estudo, e por isso não será aqui detalhado.
Sendo Pb as perdas causadas pela componente de corrente induzida por cada
fase sobre as barras da gaiola do rotor, diremos que a perda total no rotor, Prot é
definida por:
37
Prot = 3.Pb (2.5)
Sendo Lb e Sb o comprimento total das barras do rotor e a área da seção de
uma barra individual, respectivamente, temos que:
Prot = 3.ρAl.Lb.I2 /Sb (2.6)
Logo, condutores de excelente percentagem IACS são os melhores condutores
para uso em bobinas e barras de motores elétricos, uma vez que sua pureza aumentará
a condutividade elétrica do material.
Como visto nesta seção, escolheu-se o cobre para a confecção das bobinas do
estator, mas não para as barras do rotor. Se para uma mesma potência será requerida
sobre o rotor a mesma corrente independente do material de suas barras, por que
então não utilizar o cobre?
O motivo encontra-se no fato de que embora o cobre seja melhor condutor,
assim como acontece em linhas de transmissão e outras aplicações, além de mais
barato, o alumínio é mais leve que o cobre. Uma vez que o rotor é uma parte móvel, e
movê-lo consome potência útil do motor como um todo, ele também precisa ser o mais
leve possível.
2.3 Perdas Dispersas
2.3.1 Antecedentes
A história da medição das perdas dispersas é interessante, pois apresenta um
dos maiores desafios para o desenvolvimento de máquinas elétricas girantes. Em 1932,
fabricantes de bombas começaram a pedir dos fabricantes de motores os "verdadeiros"
rendimentos das máquinas ao invés de valores calculados das maneiras que vimos
nas seções anteriores.
Essas eficiências "verdadeiras", determinadas através de testes a plena carga,
naturalmente revelaram um perda de energia adicional do motor além daquelas já
conhecidas: perdas no ferro, no cobre e mecânicas. Na época, os principais órgãos de
regulamentação americanos, o IEEE e a NEMA, baseavam suas normas somente nas
perdas calculadas, e não nessas perdas recém descobertas. Embora estudos que já
haviam identificado essas perdas existissem desde 1913, a dificuldade em quantificá-la
38
(normalmente 10% a 20% de toda a perda na máquina) levou a indústria a um
consenso geral de somente ignorá-la.
Então, de volta ao ano de 1932, expressou-se o medo de que "nos próximo anos,
rendimentos reais seriam necessários (...), e isso levaria caos às várias fabricantes de
motores elétricos na corrida por decifrar como se davam essas perdas". Propôs-se
então que em breve seria publicado um artigo expondo os meios de quantificar essas
perdas.
Mas essa não era uma tarefa fácil, e ela não foi concluída "em breve". Somente
em 1939 foi publicado um artigo definindo o que se tornou o único teste normatizado
para quantificação das perdas dispersas até então, ele permanece controverso mesmo
nos dias de hoje. Enquanto isso, em 1934, outro artigo analisou a complexa estrutura
das perdas dispersas concluindo que um método satisfatório de determinação
experimental ainda era um problema. Esse trabalho relacionou as perdas dispersas a
um fator principal e difícil de ser medido: vazamento de fluxo magnético.
2.3.2 Generalização
Em geral, essas perdas, associadas a descontinuidades no campo magnético,
provém de condições que não são contabilizadas pela perda por histerese ou pelas
correntes de Foucault, e acontecem quando as ranhuras do rotor - sejam elas onde se
encontram as barras ou outro tipo de rotor - varrem as ranhuras do estator. Como são
função de descontinuidades no campo magnético, elas são proporcionais à corrente.
Logo, quanto maior o número de Ampères/espira dentro do enrolamento, maior essas
perdas. Durante os testes normais do motor, a simples avaliação das perdas no ferro
não vai captar as perdas dispersas porque estas variam com a corrente, logo, com a
carga aplicada ao eixo do motor.
Como foi dito, a maioria das perdas dispersas provêm de vazamento de fluxo
magnético. O termo vazamento quer dizer simplesmente que o fluxo do campo
magnético não se comporta como água num cano, ou corrente contínua num condutor.
Há vários campos magnéticos num motor, que circundam condutores e penetram
39
conforme avançam em espaços magnéticos e não magnéticos, sem observar fronteiras
precisas.
Nós pensamos em linhas de campo magnéticos como uma rede que flui em
padrões de círculos concêntricos ao redor de um condutores, ou fluindo pelos dentes de
uma lâminas em trajetos paralelos entre si. A maior concentração de fluxo magnético
estará seguindo justamente esses padrões, mas uma pequena parte do campo vai
interagir com condutores próximos, ocupar espaços que não deveriam ocupar, e levar a
perdas nessas áreas.
Tais fluxos de vazamento são então distorcidos por descontinuidades nas
estruturas magnéticas conforme elas atravessam o campo ou vice-cersa. Por exemplo,
o chamado "fluxo zigue-zague" tem esse nome porque vai e volta pelo entreferro,
interligando os condutores do rotor e do estator.
Assim, quanto maior a distância de entreferro, menor se tornam alguns
componentes das perdas dispersas. O preço de um entreferro mais largo, entretanto, é
uma maior corrente de magnetização e por conseqüência uma maior perda no cobre.
2.3.3 Vazamentos da gaiola do rotor
Vazamento de fluxo magnético na gaiola do rotor é um elemento significativo nas
perdas dispersas. Em rotores engaiolados (como mencionado anteriormente, trata-se
da grande maioria dos rotores), ocorrem correntes de fuga das barras para as lâminas
do núcleo conforme elas buscam o caminho mais curto através do ferro de um anel de
curto circuito para o outro.
Por pelo menos meio século, vários métodos já foram propostos para bloquear
essas correntes de fuga através de uma isolação entre as barras e o núcleo magnético.
Processos químicos e metalúrgicos foram testados de forma a isolar as barras da gaiola
ou a superfície das lâminas do núcleo onde elas formam as ranhuras das barras. A
maioria, até agora, foram ineficientes ou de custo muito elevado. Uma das razões é que
o tratamento do núcleo num rotor engaiolado precisa suportar as temperaturas de
injeção do alumínio (cerca de 760ºC). Outro problema é a inevitável dilatação e
contração que os materiais sofrem de forma diferente conforme a máquina esquenta ao
entrar em serviço e resfria ao sair dele.
40
Um modo oposto de tratar o problema que foi usar capas condutoras de modo a
reduzir a resistência barra-núcleo (o R do termo I2R) encontrou ainda maior taxa de
fracasso para motores de porte pequeno e médio, produzidos em alta escala.
2.3.4 A Dicotomia das perdas dispersas
Infelizmente, quando tentamos levar todas as variáveis em consideração, vemos
que mudar o desenho das lâminas e a disposição dos enrolamentos para diminuir uma
parcela dos componentes das perdas dispersas, nós aumentamos outras. O
comprometimento do processo é inevitável.
Por exemplo, perdas por pulsação nos dentes no núcleo são altamente
dependentes do número de ranhuras no estator e no rotor. Um motor de 4 polos com 72
ranhuras no estator vai ter menos perdas dispersas com um rotor de 58 ranhuras do
que com 86 ranhuras. Alguns fabricantes de grandes motores tentam basear seus
padrões de projeto nesse princípio.
Mas tal fato não pode ser aceito sem ressalvas, entretanto. Uma delas é que, em
grandes máquinas, menos ranhuras no rotor implica em barras da gaiola que podem
ser largas demais para serem factíveis. Outra é que menos ranhuras implica em
ranhuras maiores - o que aumenta outro componente das perdas dispersas. Assim, as
perdas dispersas têm alguns de seus componentes reduzidos, mas em função
justamente dessa redução outros crescem.
Outra prática, comum na Europa, é o uso de cunhas de material magnético para
fechar as ranhuras, porque essas cunhas essencilamente eliminam a descontinuidade
magnética formada pela abertura da ranhura (descontinuidade essa que, em máquinas
de baixa tensão é pequena o suficientes para tornar essas cunhas especiais
economicamente inviáveis). Porém, o alto custo, mudança nas propriedades do material
com o envelhecimento e redução de apenas uma parte das perdas dispersas impedem
o uso mais difundido desta técnica.
2.3.5 Medição das perdas dispersas
Uma vez que o motor foi projetado e construído, como são determinadas suas
perdas dispersas reais? Uma alternativa é assumir seu valor através de uma análise
41
empírica de um grande número de motores similares, conforme define a norma IEEE
112:
O teste calorimétrico consiste em colocar o motor, com suas outras perdas
medidas por meios convencionais, em operação a plena carga dentro de uma câmara
termicamente isolada. O calor medido dentro desta câmara após o funcionamento
equivale às perdas totais do motor. Subtrair deste valor as perdas conhecidas fornece o
valor das perdas dispersas.
A norma americana e a norma européia discordam na variável principal em
função da qual se calculam as perdas dispersas. A americana considera que elas
variam de acordo com o quadrado da corrente do rotor, enquanto a européia afirma que
as perdas dispersas variam com o quadrado da corrente do estator. De qualquer modo,
as perdas dispersas podem ser representadas no circuito equivalente do motor por uma
resistência. A dificuldade, claro, está em determinar o valor desta resistência através de
medições.
Na verdade, alguns componentes das perdas dispersas ocorrem no rotor,
enquanto outros no estator. Alguns variam com a corrente, outros não. O uso da
determinação das perdas dispersas pela corrente de estator implica numa dificuldade
de medição quando o motor opera a vazio, uma vez que há correntes significativas no
rotor e ainda assim as perdas dispersas são consideradas nulas por este modelo.
Por outro lado, o uso do modelo americano de variação de acordo com a
corrente do rotor implica numa variável que não pode ser medida diretamente com o
motor em funcionamento, e sim calculada através do circuito equivalente.
Outros tipos de medição das perdas dispersas existem, todos igualmente
dependentes de instrumentos específicos e dependentes da remoção do motor de seu
local de aplicação. Assim sendo, essa medição é de maior interesse do projetista do
motor do que de seu usuário final. No final das contas, o método adequado para
redução de tais perdas é escolhido com base na aplicação, potência e rendimento
desejado do motor, não havendo um padrão pré-definido empirica ou matematicamente
para calculá-las.
42
3. OS MATERIAIS USADOS EM MOTORES ELÉTRICOS
De posse do exposto no capítulo anterior, passamos à análise dos materiais
disponíveis para os circuitos elétrico e magnético do motor, além dos materiais de
isolação. Uma vez que sabemos como o motor funciona e como se dão as perdas no
processo da transformação de energia elétrica em energia mecânica, escolhemos
agora os materiais que usaremos para tornar essa perda o menor possível, dentro das
tecnologias disponíveis e economicamentes acessíveis.
Aço-silício é o material magnético macio básico para motores elétricos. Materiais
de pó macio amorfo foram introduzidos apenas recentemente, com potencial para
aplicação em motores de alta velocidade (alta freqüência). O cobre puro é o material
preferido para os circuitos elétricos (enrolamentos), enquanto alumínio ou latão são
usados para enrolamento de motores em gaiola de esquilo.
3.1 Materiais Magnéticos
A primeira consideração que deve-se fazer é que precisamos de materiais de
alta permeabilidade magnética, que ofereçam a mínima resistência possível ao campo
magnético que, a cada ciclo da corrente, alterará o sentido dos dipolos magnéticos no
núcleo magnético. Por isso, usaremos materiais magnéticos macios.
Dentro dos materiais magnéticos macios, o aço é um excelente candidato devido
a suas características mecânicas e propriedades magnéticas muito próximas às do
ferro, mantendo porém um índice bem menor de corrosão do que a susbtância pura.
Todavia, o aço por si só é bom condutor elétrico, e como visto no capítulo anterior,
busca-se reduzir a condutividade do núcleo magnético dos motores de modo a reduzir
as perdas por corrente de Foucault. Por isso, ao invés de somente aço, é usado o açosílicio, também conhecido por sua vasta aplicação em máquinas elétricas como aço
elétrico, ou aço de transformador.
O aço silício é uma liga de ferro, carbono e silício que contém até 6.5% de silício
em sua composição, enquanto o carbono varia entre 0.2% e 2.1%. O uso do silício é
essencial porque reduz significativamente a condutividade elétrica do aço, limitando
assim as correntes de Foucault, e consequentemente a perda no núcleo magnético.
43
Há dois tipos principais de aço-silício: o de grãos orientados, e o de grãos não
orientados. Entrar nos pormenores das propriedades destes dois materiais e o que os
diferencia faz parte do escopo do grupo de materiais magnéticos, portanto não será
abordado neste trabalho.
Grão Orientado: Os dipolos magnéticos deste aço (grãos) possuem uma
orientação especial, que faz com que a densidade de fluxo magnético na
direção desta orientação cresça cerca de 30%, ainda que sua saturação
diminua na faixa de 5%. Além disso, devido a melhor orientação dos
dominínios magnéticos, possui menor vazamento de fluxo, tornando-o
especialmente atrativo para a construção de motores de alto rendimento.
Como era de se esperar, possui um custo elevado, o que termina por
limitar seu uso a aplicações onde o preço seja essencial.
Grão Não-Orientado: É o material mais amplamente usado na construção
de máquinas elétricas em geral, não só motores. Mais barato e menos
eficiente que o aço de grão-orientado, ainda conserva a melhor relação
custo-benefício para a maioria das aplicações da indústria.
Normalmente, em ambos os tipos de aço-silício, a concentração do silício varia
de 3% a 3.5%. Porém, pesquisas recentes mostram que lâminas de aço-silício não
orientado a 6.5% para máquinas de baixa tensão a 60Hz são capazes de obter uma
redução de até 40% nas perdas no núcleo, assim como também de reduzir o ruído.
Melhorias similares foram obtidas com lâminas de aço-silício de grãos orientados de
0,35mm de espessura, alternando a orientação dos grãos em lâminas adjacentes: uma
com orientação magnética perpendicular, e outra com estrutura magnética cruzada.
Compostos Magnéticos Macios (SFC) vem sendo produzidos por tecnologias de
metalurgia em pó. O pó de partículas magnéticas são cobertos com camadas de
isolação e um aglutinante, sendo comprimidos em seguida para prover a maior
resistividade elétrica possível sem entretanto afetar as propriedades magnéticas deste
material. Todavia, além do elevado custo, estes materiais ainda não apresentam uma
permeabilidade magnética alta o suficiente para serem usados como material principal
de núcleos magnéticos.
44
Todavia, vantagens como maior liberdade na escolha da geometria do núcleo do
estator e o aumento do número de espiras por ranhuras preenchidas com SFCs, podem
levar a um vasto uso de Compostos Magnéticos Macios em motores elétricos de
indução, trazendo com isso o aumento da carga que eles serão capazes de acionar.
Ainda assim, ao menos num futuro próximo, lâminas de 0,5mm de aço-sílico
melhores, com grãos não orientados a 6.5% tendem a ser a base dos materiais
magnéticos macios para a fabricação são só de motores elétricos, mas também da
maioria das máquinas de indução
3.2 Materiais Elétricos
Condutores elétricos de cobre são usados na produção dos enrolamentos. Cobre
elétrico tem uma pureza alta e é fabricado por um processo de eletrólise, obtendo uma
pureza acima de 99%. A seção reta de condutores de cobre a serem introduzidos nas
ranhuras são retangulares ou circulares
Figura 3.1 – Disposição das bobinas dentro da ranhura do estator.
Em geral, condutores de seção circular são feitos em diâmetros padrões até um
diâmetro de cerca de 2.5mm a 3mm. A seção reta total Acon do condutor da espira
depende da corrente de fase Iln e da densidade de corrente Jcon.
Acon=Iln / Jcon (3.1)
A densidade de corrente varia entre 3.5 e 15 A/mm2 dependendo do sistema de
ventilação, número de partidas por hora, e eficiência desejada. Motores de eficiência
alta são caracterizados por densidade de corrente menor. Se Acon em é maior do que a
seção reta do maior diâmetro de fio disponível, alguns condutores de diâmetro menor
45
são conectados em paralelo e enrolados juntos. Até 6 ou 8 condutores elementares
podem ser conectados desta maneira. Se a Acon for maior do que 30 a 40mm2 (isto é, 6
a 8 fios de 2,5mm2 em paralelo), recomenda-se condutores de seção retangular.
Em muitos países, esses condutores também são parametrizados. Em geral, a
altura de condutores retangulares é pequena em comparação com a largura (a<3.5mm)
para reduzir o efeito Skin. Para motores de alta potência, a área da seção reta mais
comum é 3.55mmx50mm.
A gaiola do rotor é geralmente feita de alumínio. A escolha do alumínio acontece
pelas seguintes razões:
Condutividade elétrica: O alumínio possui boa condutividade elétrica, não
tão boa quanto a do ferro ou a da prata, mas ainda alta o suficiente para
para que se leve os fatores abaixo em consideração;
Peso: O alumínio é mais leve que o cobre, fator crucial para um
componente do rotor. Uma vez que parte da energia gasta pelo motor irá
ser usada para mover o rotor, este precisa ser o mais leve possível. Logo,
entre os bons condutores, pela leveza, o alumínio é escolhido;
Preço: Além de mais leve, o alumínio é mais barato que o cobre;
Figura 3.2 – Cotação de Insumos
Fabricação: Finalmente, o processo de fabricação mais comum de rotores
em gaiola de esquilo consiste primeiramente em formar o núcleo de
chapas do rotor. As chapas já são cortadas de tal modo que seja deixado
o espaço ocupado pela gaiola de alumínio. Em seguida, é injetado
46
alumínio derretido dentro do núcleo do rotor e, quando da resfriação, ele
assume o formato desejado de gaiola. Por isso, o baixo ponto de fusão do
alumínio, muito inferior ao do aço-silício do rotor, é outro fator que pesa
em sua escolha como condutor elétrico.
3.3 Materiais De Isolação
O propósito primário do isolamento do estator é suportar as tensões de espira
para espira, fase para fase, e fase para terra, de modo a direcionar a corrente elétrica
palo caminho desejado no enrolamento dos estatores. As lâminas do estator são
isoladas umas das outras por coberturas especiais (0,013mm) de modo a reduzir as
correntes de Foucault.
Sistemas de isolação elétrica para motores elétricos são caracterizados por
tensão e temperatura. Eles precisam suportar as tensões esperadas entre os
condutores, condutores de fase e a terra, e fase a fase. O American National Standards
Institute (Instituto de Padrões Nacionais Americanos, em tradução livre - ANSI),
especifica que os testes da isolação pertinentes à tensão devem ser duas vezes a
tensão nominal acrescida de 100V aplicada sobre o enrolamento do estator por um
minuto.
O calor produzido pelas correntes no enrolamento e pelas perdas de núcleo
causam temperaturas de pico que devem ser limitadas de acordo com a capacidade
térmica da resina de isolação usada na máquina, e também com a sua estabilidade
química.
Há uma deterioração lenta porém contínua dessa resina por reações químicas
internas, contaminação e outras interações, que com o tempo acaba por reduzir a força
dielétrica da isolação.
Materiais de isolação para motores elétricos e máquinas de indução foram
organizados em classes de temperatura nas quais eles podem operar satisfatoriamente
dentro da vida útil esperada
A: 105ºC
B:130º
C F:155ºC
G:180ºC
47
As conexões entre as espiras de uma fase e os bornes na caixa de ligação
também têm de ser isoladas. Além disso, o cordão usado para amarrar as espiras do
enrolamento à estrutura do estator de modo a evitar vibração também é feito de
material isolante.
Nos enrolamentos, o esmalte que recobre as espiras é o componente principal:
para aplicá-lo, o condutor é passado por uma solução de resina polimerizável e
esticado dentro de torres de alta temperatura, onde ele se torna um recobrimento fino,
sólido, e de grande flexibilidade. Várias passadas são necessárias para se obter a
espessura desejada (cerca de 0.025mm).
A composição o material deste esmalte, o elemento principal do sistema de
isolação do motor varia de fabricante para fabricante, e sua fórmula não é dada a
conhecer, posto que muitas ainda são protegidos por patentes. Como exemplo, citamos
o sistema WISE®, da WEG, acrônimo para WEG Insulation System.
Há padrões específicos que determinam os testes a serem feitos em condutores
esmaltados, uma vez que, para serem enrolados no estator, estes condutores serão
dobrados e esticados, e o esmalte precisa passar por esse processo sem sofrer dano
considerável. Normalmente, aplica-se um verniz isolador com um pincel por cima do
enrolamento do estator uma vez que este está terminado, uma vez garantido que o
verniz não irá interagir com o esmalte. Este verniz oferece uma proteção quimíca e
física ao esmalte, não só contra contaminação, mas também contra poeira e umidade,
além de dar sustentação mecânica adicional.
Para motores na classes F e H, papéis especiais, empregnados com mica e fibra
de vidro, são usados para isolação entre fases e entre os condutores e as ranhuras.
A tensão, através de descargas parciais, pode fazer o isolamento falhar em
máquinas de tensões maiores, o que é resolvido ao incorporar-se mica nos sistemas de
isolamento.
3.3.1 Altitude e temperatura
Uma menção em especial deve ser feita a dois fatores que são cruciais para o
uso de condutores elétricos. Tal qual acontece para o dimensionamento de condutores
nas demais instalações elétricas, o limite de corrente que um determinado condutor
48
pode suportar é definido por seu ponto de fusão e a capacidade térmica dos sistemas
de isolação (vistos mais à frente). Assim sendo, o local de uso dos motores elétricos
deve ser levado em conta para sua correta aplicação.
Os motores em geral são projetados para operar numa temperatura ambiente
máxima de 40ºC, e numa altitude máxima de 1000m. Embora haja a diminuição da
temperatura ambiente com o aumento da altitude, há também a rarefação do ar, que se
torna menos denso e, portanto, dotado de menor capacidade de absorção de calor.
A WEG possui uma tabela que apresenta fatores pelos quais deve-se multiplicar
a potência nominal do motor, de modo a indicar o máximo de trabalho que pode ser
exigido dele em função da altitude e da temperatura.
Figura 3.3 – Tabela de fatores multiplicadores da potência nominal do motor em função da
altitude e temperatura ambiente.
3.3.2 As classes de isolamento
Como foi visto anteriormente, o limite de temperatura depende do tipo de
material empregado. Para fins de normalização, os materiais isolantes e os sistemas de
isolamento (cada um formado pela combinação de vários materiais) são agrupados em
CLASSES DE ISOLAMENTO, cada qual definida pelo respectivo limite de temperatura,
ou seja, pela maior temperatura que o material pode suportar continuamente sem que
49
seja afetada sua vida útil. As classes de isolamento utilizadas em máquinas elétricas e
os respectivos limites de temperatura conforme NBR-7034, são as seguintes:
Classe A (105 ºC) Classe E (120 ºC) Classe B (130 ºC) Classe F (155 ºC) Classe
H (180 ºC). As classes B e F são as comumente utilizadas em motores de linha.
É muito difícil medir a temperatura do enrolamento com termômetros ou
termopares, pois a temperatura varia de um ponto a outro e nunca se sabe se o ponto
da medição está próximo do ponto mais quente. O método mais preciso e mais
confiável de se medir a temperatura de um enrolamento é através da variação de sua
resistência ôhmica com a temperatura, que aproveita a propriedade dos condutores de
variar sua resistência, segundo uma lei conhecida. A elevação da temperatura pelo
método da resistência, é calculada por meio da seguinte fórmula, paracondutores de
cobre:
∆t =
R2 − R1
⋅ (235 + t1 ) + t1 − t a = t 2 − t a
R1
(3.2)
onde: ∆t é a elevação de temperatura;
t1 é a temperatura do enrolamento antes do ensaio, igual à do meio refrigerante,
medida por termômetro;
t2 é a temperatura dos enrolamentos no fim do ensaio;
ta é a temperatura do meio refrigerante no fim do ensaio, medida por termômetro;
R1 é Resistência do enrolamento antes do ensaio;
R2 é Resistência do enrolamento no fim do ensaio.
A temperatura do ponto mais quente do enrolamento deve ser mantida abaixo do
limite da classe. A temperatura total vale a soma da temperatura ambiente com a
elevação de temperatura ∆t mais a diferença que existe entre a temperatura média do
enrolamento e a do ponto mais quente. As normas de motores fixam a máxima
elevação de temperatura ∆t, de modo que a temperatura do ponto mais quente fica
limitada, baseada nas seguintes considerações:
A temperatura ambiente é, no máximo 40ºC, por norma, e acima disso as
condições de trabalho são consideradas especiais.
A diferença entre a temperatura média e a do ponto mais quente não varia
muito de motor para motor e seu valor estabelecido em norma, baseado
50
na prática é 5ºC, para as classes A e E, e 10ºC para as classes B, F e
H.As normas de motores, portanto, estabelecem um máximo para a
temperatura ambiente e especificam uma elevação de temperatura
máxima para cada classe de isolamento. Deste modo, fica indiretamente
limitada à temperatura do ponto mais quente do motor.
Os valores numéricos e a composição da temperatura admissível do ponto mais
quente, são indicados na tabela abaixo:
Figura 3.4 – Composição da temperatura máxima de operação do motor das classes de
isolação
3.3.3 A distribuição dos materiais de isolamento no motor
Durante a fabricação do motor, os fios são submetidos a esforços mecânicos de
tração, flexão e abrasão. Em funcionamento, os efeitos térmicos e elétricos agem
também sobre o material isolante do fio. Por essa razão, ele deve ter uma boa isolação
mecânica, térmica e elétrica. O esmalte utilizado atualmente nos fios garante essas
propriedades, sendo a propriedade mecânica assegurada pela camada externa do
esmalte que resiste a forças de abrasão durante a inserção do mesmo nas ranhuras do
estator.
A camada de esmalte interna garante alta rigidez dielétrica e o conjunto atribui
classe 200ºC ao fio. Esse fio é utilizado em todos os motores classe B, F e H. Nos
motores para extração de fumaça o fio é especial para altíssimas temperaturas.
Os filmes e laminados isolantes têm função de isolar termicamente e
eletricamente partes da bobina do motor. Como a vida útil do motor depende quase que
51
exclusivamente da vida útil da isolação, aplica-se o material adequado para cada classe
de motor. Esses filmes e laminados são aplicados nos seguintes pontos:
entre a bobina e a ranhura para isolar o pacote de chapas de aço (terra)
da bobina de fios esmaltados;
entre as fases para isolar eletricamente uma fase da bobina da outra fase;
fechamento da ranhura do estator para isolar eletricamente a bobina
localizada na parte superior da ranhura do estator e para atuar
mecanicamente de modo a manter os fios dentro da ranhura do estator.
Os filmes e laminados utilizados são à base de aramida e poliéster
O fio circular esmaltado é um dos componentes mais importantes do motor, pois
é a corrente elétrica circulando por ele que cria o campo magnético necessário para o
funcionamento do motor. Os vernizes e resinas de impregnação têm como principal
função manter unidos entre si todos os fios esmaltados da bobina com todos os
componentes do estator através da aglutinação pelo verniz ou resina. Essa aglutinação
impede que os fios vibrem e atritem entre si. Esse atrito poderia provocar falhas no
esmalte do fio levando-o a um curto circuito. A aglutinação ajuda ainda na dissipação
térmica do calor gerado pelo condutor.
Utiliza-se atualmente dois tipos de vernizes e dois tipos de resinas de
impregnação, todos à base de poliéster, para atender às necessidades construtivas e
de aplicação dos motores. A resina de silicone é utilizada apenas para motores
especiais projetados para altíssimas temperaturas. Os vernizes e resinas melhoram as
características térmica e elétrica dos materiais impregnados podendo-se atribuir uma
classe térmica maior aos materiais impregnados, quando comparados a esses mesmos
materiais sem impregnação. Também atuam como proteção da bobina e partes dela
contra ambientes úmidos, marítimos e produtos químicos.
Os vernizes são aplicados pelo processo de imersão e posterior cura em estufa e
as resinas (isentas de solventes) são aplicadas pelo processo de Fluxo Contínuo.
Os cabos de ligação são construídos com materiais isolantes elastoméricos.
Esses materiais têm única e exclusivamente a função de isolar eletricamente o condutor
do meio externo. Eles têm alta resistência elétrica aliada à adequada flexibilidade para
permitir o fácil manuseio durante o processo de fabricação, como durante a instalação e
52
manutenção do motor. Os cabos de ligação são especificados conforme a classe
térmica do motor, e conforme o meio em que o motor irá ser aplicado. Um exemplo é o
motor para bombas submersas em que o cabo deve ser quimicamente resistente ao
óleo da bomba.
Os tubos flexíveis têm a função de cobrir e isolar eletricamente as soldas das
conexões entre os fios da bobina e o cabo de ligação,ou entre fios. Eles são flexíveis
para permitir que se moldem aos pontos de solda e à amarração da cabeça da bobina,
e possuem boa resistência elétrica. Utilizam-se atualmente três tipos de tubos:
Tubo com trama de poliéster recoberto com resina acrílica – Classe 155ºC
Tubo com trama de fibra de vidro recoberto com borracha de silicone Classe 180ºC
Tubo de poliéster termoencolhível – Classe 130ºC
53
4. MOTORES ELÉTRICOS ALIMENTADOS POR INVERSORES DE
FREQÜÊNCIA
Com o avanço da eletrônica de potência, muitos aspectos relacionados às
maquinas elétricas que eram tidos como padrões começaram a mudar. Um deles, foi o
surgimento dos inversores de freqüência: equipamentos que são alimentados em uma
determinada freqüência e em seguida fornecem outra em sua saída. Mas porque eles
são importantes para os motores elétricos?
4.1 A Velocidade De Rotação De Um Motor De Indução
Para o motor de indução, máquina elétrica que estudamos em profundidade até
o momento, sua rotação é função de principalmente dois aspectos: o número de polos e
a freqüência de alimentação, conforme mostra a equação abaixo:
n=
120 ⋅ f 1⋅ (1 − s )
(4.1)
p
Onde f1 é a freqüência de alimentação do motor;
s é o escorregamento;
p é o número de par de polos;
n é a rotação nominal do motor em rpm.
O escorregamento é função da carga: quanto maior ela for, maior será o
escorregamento, logo, não é algo que podemos alterar para controlar a velocidade de
rotação do motor
O número de par de polos depende do estator, e embora até mesmo existam
motores de dupla polaridade, são consideravelmente mais caros e mais complexos que
os motores de polaridade única. E por se tratar de uma característica do estator, é
impossível mudá-lo.
E finalmente, chegamos à freqüência. Até pouco tempo atrás, era impossível
fazer variar a freqüência com a qual se alimentava um motor. Com os inversores de
freqüência, isso se tornou possível. Porém, há outros fatores que influem no
funcionamento do motor de indução, e neste caso, alterar somente a freqüência
acarretaria numa grande alteração do torque.
54
4.2 A Manutenção Do Torque Constante
O torque do motor é proporcional ao fluxo magnético que atravessa o rotor, de
modo que quanto mais forte o fluxo, maior o torque. Temos que o fluxo pode ser
aproximado pela seguinte expressão:
Φm ≅
V1
f1
(4.2)
Onde V1 é a tensão aplicada ao motor e,
Փm é o fluxo magnético que atravessa o rotor.
Vemos então que, para mantermos o fluxo (e por consequinte, o torque)
constante, ao variarmos a freqüência precisamos também variar a tensão. E até a
tensão de alimentação do inversor, ele faz justamente isso.
4.3 O Inversor De Freqüência
O diagrama de funcionamento de um
inversor de freqüência, independente
de fabricante e modelo, pode ser
resumido há três partes básicas:
O bloco retificador, que transformará
a corrente alternada da alimentação
em corrente contínua
O link CC, que filtrará imperfeições na
corrente retificada e pode permitir
alimentação
direta
de
corrente
contínua, pulando o bloco inversor
O bloco chaveador, que através de
componente
eletrônicos
irá
emitir
pulsos em alta freqüência que, ao
serem
integrados,
simularão
a
alimentação com corrente alternada
nas freqüência e tensão desejadas.
A figura 4.1 ilustra bem esse diagrama.
Figura 4.1 – Esquema de
um inversor de freqüência
55
4.4 Modulação Por Largura De Pulso, Ou Pulse Width
Modulation (PWM):
Para executar a variação de freqüência e de tensão, o inversor de freqüência não
emite ondas perfeitamente senoidais para as duas. O sinal de alimentação na saída do
inversor de freqüência é essencialmente um simulacro de uma senóide, não uma
senóide efetiva, e para isso faz-se de valores das particularidades do circuito
equivalente do motor e das leis do eletromagnetismo de forma a "enganar" o motor. O
modo pelo qual o inversor faz isso chama-se Modulação por Largura de Pulso, ou
PWM, a sigla em inglês normalmente utilizada.
A figura 4.2 nos mostra um pulso
de tensão senoidal PWM. Observe que,
de fato, trata-se de uma onda quadrada
formada por vários pulsos variáveis,
mas que, em geral, simulam uma
senóide.
Já
os
pulsos
de
corrente
assemelham-se mais à uma senóide, e
a figura 4.3 ilustra dois transistores
Figura 4.2 – Onda PWM de tensão
emitindo pulsos que juntos formarão a metade de
um ciclo de corrente.
Quando
o
circuito-eletromagnético
do
motor recebe a alimentação PWM, ele funciona
normalmente
alimentação
como
senoidal
se
recebesse
normal.
uma
Entretanto,
o
isolamento sofre com a variação pulsante da
tensão, numa freqüência muito superior à da
senóide que ela emula.
Figura 4.3 – Semi-ciclo PWM de
corrente
56
4.5 Efeitos Da Alimentção PWM Sobre O Isolamento Do Motor
De Indução
Conforme visto na figura 4.2, a onda quadrado do pulso modular de tensão
contém picos e variações muito díspares da senóide para a qual um motor alimentado
com uma senóide pura trabalha. Tal fato originou uma nova questão vital causada pelos
altos gradientes de potencial desenvolvidos nos enrolamentos assim alimentados,
estressando o sistema de isolamento.
O sistema de isolamento de um motor de indução, quando alimentado por
inversor de freqüência, fica submetido a uma multiplicidade de fatores adversos que
podem levar à ruptura de sua integridade dielétrica, ou seja, podem provocar o
rompimento do dielétrico isolante, provocando a queima do motor. Como visto no
capítulo 3, a degradação do sistema isolante pode ocorrer devido a causas térmicas,
elétricas ou mecânicas, ou por uma combinação de todos este fatores.
4.5.1 Influência do rise time:
O rise time (do inglês tempo de elevação) é a variação de tensão num espaço
infinitesimal de tempo, representado por dV/dt.
Devido à rapidez do crescimento do pulso de tensão (dV/dt) emitido pelo
conversor ao motor , as primeiras espiras da primeira bobina de uma dadafase ficam
submetidas a um alto valor de tensão. Com isto o “rise time” tem influência direta no
tempo de vida útil do sistema isolante, ou seja, quanto menor o tempo de crescimento
do pulso (rise time menor) maior será o nível de tensão originado entre espiras
(primeiras espiras) e conseqüentemente mais rápida a degradação do sistema de
isolamento do motor. Com tudo isto, em função do “rise time”, o sistema de isolamento
fica submetido a altos gradientes de potencial elétrico, exigindo dos isolantes
características dielétricas superiores.
Os pulsos repetitivos (trem de pulsos) mesmo sendo cada um individualmente de
curta duração, causam um efeito cumulativo, o qual dependendo do projeto do sistema
de isolamento do motor acaba por abreviar substancialmente a vida útil deste.
4.5.2 Locais críticos:
De posse do entendimento de como o rise time afeta as primeiras bobinas de um
enrolamento, precisamos analisar então o que ocorre no enrolamento quando há
57
influência do rise time. No estator, há três locais principais que podem ter diferenças de
potencial e que dependem do isolamento para que não haja um curto circuito:
Enrolamento-Estator: Aqui, dentro da ranhura, as espiras estão separadas
pelo isolamento que as recobra e mais o filme posicionado sobre o fundo
de ranhura.
Entre fases: Os enrolamentos de fase são isolados entre si também por
um filme adicional, além do recobrimento dos fios, o que lhe confere,
assim como no caso anterior, uma robustez dielétrica mais elevada.
Entre espiras: Este é o caso mais crítico. No instante em que ocorre um
pico de tensão, com rise time consideravelmente curto, naquele intervalo
de tempo uma espira já está submetida à alta diferença de potencial,
enquanto a espira subseqüente não. Separa-as somente o recobrimento
de cada uma, o que faz com que a espessura do isolante seja o dobro da
espessura do isolante de um fio. E neste momento a ddp pode chegar a
ser máxima.
4.5.3 Influência da Freqüência:
Associada aos efeitos originados pelo rápido crescimento dos pulsos está a
freqüência com que estes pulsos são produzidos. Ao contrário dos impulsos
provenientes de manobras de rede, os quais são eventuais e esparsos, neste caso
trata-se de um trem de pulsos que é mantido numa freqüência determinada.
Esta freqüência nos dias atuais, em função da rápida evolução da eletrônica de
potência, atinge valores da ordem de 20kHz. Quanto maior a freqüência de pulsação do
conversor mais rápida será a degradação do sistema isolante. A dependência do tempo
de vida útil do isolamento em função da freqüência de pulsação, não é uma relação
simples, conforme pode ser obtido de pesquisas experimentais.
Então, de resultados empíricos, obtidos através de experiências práticas, podese concluir que abaixo de 5 kHz o tempo de vida do isolamento T é inversamente
proporcional à freqüência, ou seja:
T=A/f
onde “A” é uma constante e
(4.3)
58
“f” a freqüência de pulsação.
Já para freqüências de pulsação acima de 5kHz o tempo de vida útil T é
proporcional ao inverso do quadrado da freqüência, isto é:
T=B/f2
(4.4)
onde “B” é outra constante.
4.6 As Alterações Necessárias Ao Sistema De Isolamento De Um
Motor De Indução Alimentado Por PWM.
Diante do exposto, temos que o sistema de isolamento convencional pode não
atender aos requisitos necessários para este tipo de alimentação.
Neste caso o sistema de isolamento deve ser feito com materiais mais
resistentes à degradação quando submetidos a elevados campos elétricos e terem os
espaços entre as espiras (fios) devidamente preenchidos com material impregnante
sólido, evitando a presença de espaços de ar e consequentemente as descargas
parciais. O material de uma das camadas das paredes isolantes dos fios, para os casos
mais críticos, pode conter óxidos metálicos (óxido de Titânio, por exemplo) os quais
funcionam como espalhadores de cargas, não deixando que eventuais descargas
parciais se choquem sempre contra o mesmo ponto sobre o material isolante.
4.7 O Uso De Filtros
O método mais simples de filtragem é inserir em série com os cabos, entre
inversor e motor, um adequado valor de reatância indutiva, a qual atua como limitadora
de variação de corrente filtrando a onda e reduzindo o ruído. Este método afeta a
performance dos transitórios do conversor além de ser volumoso e caro. Todavia, nos
modelos mais recentes de inversores, como é o caso do CFW-11 da WEG (catálogo no
Anexo 1) essas reatâncias em série já vem incorporadas ao próprio inversor.
Através de filtros passa baixa de primeira ordem RC, aplicados na entrada do
motor, as sobretensões impulsivas e as taxas dv/dt podem ser significativamente
reduzidas. Com isto as componentes de reflexão serão grandemente atenuadas, bem
como serão reduzidos os gradientes de potencial e conseqüentemente os esforços
estressantes causadores de degradação do sistema de isolamento.
59
Devido a condições técnico-econômicas os filtros ficam normalmente restritos
aos projetos para grandes acionamentos. Para aplicações que utilizammotores
pequenos e médios, além de não usar filtros, em geral os usuários preferem utilizar
motores de fabricação em série, mantidos em estoque, os quais tanto podem ser
alimentados por fontes senoidais (50/60Hz) quanto por conversores (PWM). Nestes
casos, portanto, a eficiência do sistema de impregnação é fundamental para garantir
uma suficiente vida útil a estes motores.
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5. TENDÊNCIAS
Diante do exposto neste trabalho, podemos observar a concentração da
pesquisa de redução das perdas e otimização da performance de um motor elétrico
encontra-se principalmente nos materiais de isolação e nos materiais do núcleo
magnético. Atualmente, o estado da arte busca aperfeiçoar os materiais usados nestes
dois pontos chave de modo a reduzir ao máximo as perdas no motor elétrico.
Além disso, embora este não seja o enfoque deste trabalho, rolamentos de
menor atrito e vibração, além de técnicas para melhor condutividade térmica dos
materiais de carcaça e tinta.
Para os motores de indução, conforme dito anteriormente, a pesquisa concentrase em três frentes: lâminas feitas com aço-silício de grão orientado de orientação
alternada, lâminas feitas com aço-silício 6.5% de grão não-orientado e materiais, e
núcleos feitos com Materiais Ferromagnéticos Macios (SFC) em pó.
5.1 Motores De Indução
5.1.1 A alternância de orientação dos grãos em lâminas de açosilício:
A primeira concorre diretamente com a segunda. Tanto a orientação dos grãos
de forma perpendicular entre uma lâmina e outra quanto o aumento da concentração de
silício no aço até 6.5% incorrem numa redução de perdas no ferro próxima de 40%,
porém, orientar os grãos numa direção num conjunto de lâminas, e noutra em outro
conjunto torna o processo de orientação dos grãos, já caro, ainda mais dispendioso,
pois é necessário que seja feito duas vezes.
Além disso, a espessura usual para lâminas que se submetam a esse processo é
de cerca de 0.35mm, o que exige um trato mais fino no corte e na estampagem do aço.
5.1.2 Aumento da Concentração do Silício:
Aumentar a concentração de silício numa lâmina de grãos não orientados exige
um processo metalúrgico mais refinado que a concentração usual de 3%, uma vez que
61
o aço-silício a 6.5% representa o limiar de silício que o Aço pode receber sem prejuízo a
suas propriedades mecânicas. Mas ainda assim, é feito de maneira uniforme sobre toda
a bobina de aço que mais tarde será estampada em lâminas, além de ser uma
tecnologia mais barata que a alternância na orientação dos grãos.
Some-se a isso, o fato de que a espessura usual das lâminas de aço-silício a
6.5% é cerca de 0.5mm, um aumento de quase 43% em relação a espessura
necessária para obter-se uma economia similar com as lâminas de grão com orientação
alternada (0.35mm). A maior espessura torna sua fabricação mais fácil e, por isso, mais
barata.
5.1.3 SFC com metalurgia em pó:
Esta técnica, sem dúvida a mais cara dentre as três aqui apresentadas, consiste
de aglutinar pequenas partículas de material magnético através do uso de um material
isolante de modo a reduzir quase que por completo as correntes de Foucault. Além
disso, apresenta uma excelente vantagem em relação aos processos atuais que é o
controle da forma do material: como a forma é definida pelo aglutinante, seria possível
fazer núcleos magnéticos sem lâminas, em um único bloco, e fechar as ranhuras após
bobiná-las, o que reduziria consideravelmente as perdas dispersas no motor ao
praticamente estancar o vazamento de fluxo que acontece ali,
Ela encontra uso atualmente para a fabricação de cunhas justamente para fechar
as ranhuras do estator de grandes máquinas, porém é uma técnica cara que encontra
seu maior uso na Europa e ainda não é vista com bons olhos por outros fabricantes.
Usá-la para construir todo o núcleo magnético de um motor seria por demais
dispendioso, além de um outro fator: embora o material aglutinado possa ser de fato
considerado com propriedades magnéticas de um material magnético macio, sua
permeabilidade magnética ainda não é alta o suficiente para justificar seu custo em
comparação às tradicionais lâminas de aço-silício.
5.2 Motores Síncronos De Imã Permanente
Hoje em dia, mais de 83% do uso de motores elétricos no Brasil encontra-se nos
motores de indução. Máquina de construção relativamente simples, com baixa
necessidade de manutenção e robusta, ela durante décadas foi a escolha da indústria
62
para a geração de força motriz. Porém, o uso de imãs permanentes no rotor e os
inversores de freqüência acabaram por trazer a perspectiva de um novo cenário para o
uso de motores elétricos.
5.2.1 O uso de imãs permantes:
Conforme exposto no capítulo 1, o motor síncrono possui a limitação de
necessitar de um sistema auxiliar de partida e, uma vez em regime, mantém a
velocidade exata do campo girante e não altera esta durante seu funcionamento. Além
disso, o rotor precisava ser alimentado com corrente contínua, o que exigia o uso de
escovas e consquente manutenção elevada, além da produção de faíscas.
Com o uso de imãs permanentes no rotor, não se faz mais necessária a
alimentação DC do rotor, o que elimina o uso de escovas e as desvantagens que as
mesmas trazem. Porém, imãs permanentes perdem suas características magnéticas
quando submetidos
às
temperaturas
encontradas
dentro
de
um
motor
em
funcionamento, o que durante anos limitou o seu uso.
Com o avanço da metalurgia, porém, imãs permanentes de Neodímio-FerroBoro, Ferrite e Samário-Cobalto começaram a surgir, capazes de suportar temperaturas
de operação cada vez mais altas. O primeiro, o imã de Neodímio Ferro Boro, mantém
suas propriedades magnéticas mesmo operando a 180ºC, justamente a temperatura
máxima de operação da classe H.
Porém, ainda restava ser solucionada a partida: mesmo com o uso de imãs
permanentes, o motor síncrono ainda não é capaz de partir sozinho.
5.2.2 O uso de inversores de freqüência:
Embora o rotor tenha um tempo de aceleração para vencer sua inércia e
começar a girar, o campo girante atinge a velocidade síncrona no momento que o motor
é energizado. E esse giro é função direta do número de polos do motor (constante) e da
freqüência. Nos motores que partiam sem variação de freqüência, a velocidade de giro
do campo, ainda que em altas polaridades, é rápida demais para que o rotor tenha
tempo de vencer sua inércia e seguir o campo girante.
63
O inversor de freqüência regula justamente a velocidade do campo girante, e
com isso, ao partir o motor, ele aumenta gradativamente a freqüência de modo a
permitir que o rotor acompanhe o campo girante, e assim é solucionado o problema da
partida. Além disso, uma vez em regime, a variação posterior da freqüência resultará
numa variação de velocidade do motor que, pelas suas características síncronas,
manterá o torque e a velocidade constante independente da carga aplicada ao eixo, até
o limite de seu torque.
Assim sendo, usando o uso de imãs permanentes e inversores de freqüência deu
ao motor síncrono as mesmas vantagens que o motor de indução tinha sobre ele,
exceto por uma: o custo.
O custo de um motor síncrono de imãs permanentes é muito superior ao de um
motor de indução para a mesma potência. Então, o que justifica o seu uso, e a previsão
de crescimento do mesmo para os próximos anos?
5.2.3 Benefícios:
Os motores síncronos de imãs permanentes acionados por inversores de
freqüência com ímãs de NdFeB quase não possuem perdas Joules no rotor, ao
contrário dos motores de indução com gaiola de esquilo convencional. Como as perdas
Joule são uma parcela significativa das perdas totais nos motores de indução, retirando
a gaiola de esquilo e substituindo-a por ímãs, o motor síncrono assegura um
rendimento muito maior do que os encontrados nos motores das linhas Standard e Alto
Rendimento. Para ilustrar os comparativos que seguem, usaremos como exemplo o
motor WMagnet, da WEG, cujo catálogo encontra-se no Anexo 2 .
64
Figura 5.1 - Comparação de rendimento entre motores W21 Standard, W21 Alto
Rendimento Plus e WMagnet
Os ímãs no rotor garantem uma grande redução nas perdas elétricas e
consequentemente asseguram uma menor elevação da temperatura do motor. Devido a
estas vantagens, o volume e o peso do motor síncrono de imãs permanentes
comparado a um motor de indução de mesma potência é menor e o tempo de vida é
significativamente
aumentado.
Comparado a um motor de indução equivalente, o volume do motor Wmagnet
chega
a
uma
redução
de
aproximadamente 47%, resultando em
uma alta relação de torque/volume e
uma redução de 36% no peso. Para
uma
mesma
torque/potência,
relação
de
diminuindo-se
o
tamanho da carcaça, o sistema de
ventilação também é reduzido . Desta
Figura 5.2 – Comparação de carcaças de um
motor de indução e um síncrono de imãs
permanentes para uma mesma potência.
pelo ventilador acoplado ao eixo do motor.
forma, é verificado um significa tivo
decréscimo no nível de ruído causado
65
6. CONCLUSÕES
Os materiais elétricos desempenham papel crucial no desenvolvimento dos
motores elétricos, de todos tipos, e continuarão desempenhando. É a ciência dos
materiais que impulsiona, em maior parte, a capacidade de tornar a energia elétrica
absorvida da rede tão próxima quanto possível for da energia mecânica entregue na
ponta do eixo.
O motor elétrico é, então, uma reserva tremenda de energia a ser explorada,
bastando somente saber usá-lo de forma correta e consciente.
A barreira final para a compreensão das perdas no motor que dizem respeito aos
materiais envolvidos no circuito eletromagnético está nas perdas dispersas. Estas, de
difícil quantidade de mensuração, quando perfeitamente compreendidas como as
perdas térmicas, elétricas, mecânicas e de histerese, vão ser o penúltimo degrau na
almejada busca da eficiência de 100%.
Formas construtivas e processos produtivos também desempenham um grande
papel no desenvolvimento do rendimento ótimo do motor elétrico, e a correta
prensagem das lâminas, tratadas termicamente antes e após a prensagem, é capaz de
reduzir as correntes de Foucault a ponto de ser um diferencial capaz de distinguir
fabricantes que usam e não usam esse processo.
Outro exemplo do tratamento correto dos materiais é a fixação do estator na
carcaça, que, como exposto, é capaz de anular a correta prensagem de lâminas de
material magnético macio ao criar caminhos alternativos, "por fora" do estator, para as
correntes de Foucault.
A metalurgia do pó parece ser a chave para a solução dos problemas das perdas
dispersas, já que o vazamento de fluxo é reduzido consideravelmente na ausência de
descontinuidades, porém, essa é uma técnica que ainda precisa avançar para tornar-se
economicamente viável a ponto de utilização em larga escala para potências pequenas
e médias.
Por enquanto, ao menos a médio prazo, em se tratando de máquinas de
indução, o aço silício de grão não orientado a 6.5% dá sinais de ser o melhor material
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para núcleos magnéticos, conservando a melhor relação custo-benefício das três
técnicas de tendência apresentadas.
Paralelo a essa corrente, o surgimento de materiais de isolamento cada vez mais
potentes permitirão o aumento de potência por carcaça, além de impedir falhas que
eventualmente irão resultar numa vida útil mais curta do motor. Além disso, materiais de
isolamento melhores permitem inversores de freqüência com maior freqüência de
chaveamento que por sua vez emularão ondas de melhor qualidade.
Por fim, a tendência mais promissora do mercado é a substituição dos motores
de indução por motores síncronos de imãs permanentes alimentados por inversor de
freqüência. Atualmente, a energia ainda não é tão cara, especialmente no Brasil, e o
rendimento superior do motor síncrono de imãs permanentes pode não compensar o
seu custo mais alto.
Todavia, o preço da energia elétrica tende a aumentar, além da inevitável e
compulsória necessidade de redução das emissões de gases prejudiciais do efeito
estufa e que, direta ou indiretamente, incorre numa necessidade da economia de
energia. A técnica do uso de imãs permanentes em rotores de motores síncronos é
recente, tendo surgido nos anos 80, e seu custo tende a se reduzir conforme tornar-se
mais eficaz, ao mesmo tempo que o custo da energia elétrica tende a subir.
Um exemplo disto é a empresa Otis Elevadores (catálogo no Anexo 3), que já
utiliza motores síncronos de imãs permanentes em seus produtos, proporcionando um
reduzidíssimo consumo de energia de seus elevadores. Até pouquíssimo tempo atrás,
não se falava em motores síncronos para potências que não fossem consideravelmente
grandes. Que dirá para a potência de um elevador residencial. Hoje em dia, lá está ele.
O motor elétrico de imãs permanentes acionado por inversor de freqüência é o
futuro dos motores elétricos.
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BIBLIOGRAFIA
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Resiste?, WEG Equipamentos Elétricos S/A, Jaraguá do Sul.
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edição. McGraw Hill, 2003.
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MOTORES de Corrente Contínua: Guia Rápido para Aplicação Precisa. Siemens do
Brasil S/A, São Paullo, 2006.
GARCIA, Agenor Gomes Pinto. Impacto da Lei de Eficiência Energética para Motores
Elétricos no Potencial de Conservação de Energia na Indústria. Dissertação (Mestrado
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MEURER, Evandro Jacob. Estudos das Perdas Interlaminares em Máquinas Elétricas.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Universidade Federal de Santa
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CEZÁRIO, Cassiano Antunes et AL. Transient Thermal Analysis Of An Induction Electric
Motor. 18º Congresso Internacional de Engenharia Mecânia, Ouro Preto, 2005.
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68
SYNCHRONOUS Motor Application and Operation. Engineer's Edge. Disponível em
http://www.engineersedge.com/motors/synchronous_motor.htm
MOTORES de Imãs Permanentes e Inversor de Freqüência. WEG Equipamentos
Elétricos S/A, Jaraguá do Sul.
69
ANEXOS
Anexo. 1: Catálogo do Inversor de Freqüência CFW11, da WEG Equipamentos
Elétricos S/A: http://www.weg.net/files/products/4-1635.pdf
Anexo 2: Catálogo do elevador Gen2, da Otis Elevadores do Brasil:
http://www.otis.com/site/br/OT_DL_Documents/OT_DL_DocumentLibrary/Gen2/Gen2.p
df
Anexo 3: Catálogo do motor síncrono de imãs permanentes WMagnet, da WEG
Equipamentos Elétricos S/A: http://www.weg.net/files/products/WEG-wmagnet-drivesystem-sistema-de-acionamento-com-motor-de-imas-permanentes-054-catalogoportugues-br.pdf